摘要：第一作者：Guangtao Zan，Wei Jiang，HoYeon Kim通讯作者：Cheolmin Park通讯单位：延世大学， 韩国科学技术研究院（KIST）DOI: 10.1038/s41467-024-54442-4

第一作者：Guangtao Zan，Wei Jiang，HoYeon Kim

通讯作者：Cheolmin Park

通讯单位：延世大学， 韩国科学技术研究院（KIST）

DOI: 10.1038/s41467-024-54442-4

背景介绍

自供电柔性可穿戴电子设备的开发引起了人们对人机界面技术发展的极大关注。因此，人们设计出了各种能够收集环境能量的复杂发电机，包括基于摩擦/压电的纳米发电机、热电发电机、太阳能电池和湿气驱动的发电机 (MEG)。其中，MEG很有前景，因为它们的运行基于普遍存在的水分，这使得它们在满足某些要求时可能适合自供电电子产品，例如与其他替代品相当的高收集性能、出色的机械弹性、透气性和生物相容性。尽管人们已经通过探索具有优化设备结构的新型材料（例如氧化石墨烯、碳点、水凝胶、蛋白质、气凝胶和聚电解质）对高性能MEG进行了广泛的研究，但它们的能量收集性能仍然低于标准，因此需要开发新的材料策略来提高性能。先前的研究表明，MEG产生的电流密度相对较低，这通常是由于在能量产生材料上优先解离的移动离子数量有限及其传输路径长且扩散速率慢造成的。为了解决MEG中的这一根本挑战，我们设想，由焓和熵驱动的两种带相反电荷的聚电解质的相分离复合凝聚，被认为是最有效的微胶囊技术之一，广泛应用于制药、食品、农业和纺织行业，这种技术很有前景，因为在复合凝聚过程中很容易产生大量额外的移动离子。此外，与致密凝聚相关的相分离增加了系统中的自由体积，使离子能够快速扩散。为了进一步促进离子的扩散，提出了一种核壳结构的基于纤维的MEG，它具有机械柔性的电极芯和凝聚层壳，也使MEG能够抵抗各种机械变形，如弯曲、折叠、滚动和扭曲。

本文亮点

1. 本工作提出了一种新型复合凝聚和内置电位策略，用于开发高性能单轴MEG，其核心为具有内置电荷电位的聚（3,4-乙烯二氧噻吩） (PEDOT)，凝胶壳由聚（二烯丙基二甲基氯化铵）(PDDA) 和海藻酸钠 (NaAlg) 凝聚层组成。

3. PEDOT 纳米带基板的机械强度得到保证，即使经过100000次折叠循环也不会降低性能，使其适用于自供电人机交互传感器和突触。

4. 构建了首个MEG-突触自供电设备，基于光纤的MEG成功操作了突触忆阻器，从而模拟了与纤维神经元相连的自主人类突触。

图文解析

图1. 光纤基 MEG 的设计和性能。

a 复合凝聚和内建电位协同策略示意图。b 输出电压，c 电流密度，d 电阻变化时的电压和电流密度，e 20% RH 下光纤基 MEG 的相应功率密度。f 光纤基 MEG 和先前报道的 MEG 的性能。g 代表性 MEG 的比较雷达图。

图2. PEDOT@PDDA/NaAlg 核壳纤维的制备和结构。

a 制备示意图。b PEDOT 带的 SEM 图像。c 卷曲、d 扭曲、e 亲水性和 f PEDOT 带的环状折叠。g、h PEDOT@P5N20 核壳纤维的横截面和相应的 EDS 图。i FT-IR 光谱、j 高分辨率 C 1 s 和 k 高分辨率 N 1s XPS 轮廓，基于 PEDOT 核的纤维和 PDDA 薄膜。

图3. 提高纤维型 MEG 性能的条件实验。

(a) 20% RH 下具有不同 PDDA/NaAlg 比率的纤维型 MEG 的性质，b 用不同浓度的 CaCl2 凝胶化的 PEDOT@P5N20 纤维，c 不同凝胶化周期下的 PEDOT@P5N20 纤维，d 不同温度下的 PEDOT@P5N20 纤维，e，不同 RH 值下的 PEDOT@P5N20 纤维，f 不同长度的 PEDOT@P5N20 纤维。g 不同弯曲角度下的柔性 MEG 的性质。不同 (h) 弯曲速率和 (i) 弯曲半径下 MEG 的 (h) 电压和 (i) 电流的实时变化。误差线显示记录数据的标准偏差。

图4. MEG 操作的基本机制。

a KPFM 测量装置示意图。b、c (a) 中所示两个区域的 KPFM 图像和相应直方图。d、e 不同比例的 PDDA/NaAlg 混合物的 Zeta 电位和粒径。f、g 纯 PEDOT 带的 KPFM 图像和相应直方图。h、i 不同比例的 PDDA/NaAlg 凝聚凝胶纤维的对数对数 SAXS 轮廓和相应的 R 值（h 插图：代表性 2D SAXS 图案）。j 具有不同 PDDA/NaAlg 比例的纤维的 XRD 图案。k 纯 NaAlg 和 P5N20 凝聚凝胶的离子电导率。l 具有不同 PDDA/NaAlg 比例的纤维型 MEG 的 MEG 相关特性。

图5. 分子动力学模拟。

a、b NaAlg 和 PDDA 单体的表面电势分布。c、d 纯 NaAlg、纯 PDDA 和 PDDA/NaAlg 复合物的分子结构（蓝色链代表 NaAlg，青色链代表 PDDA）。PDDA/NaAlg 体系（e）和纯 NaAlg（f）的平衡结构。g (e) 和 (f) 中显示的平衡结构中的模拟孔径分布。h、i PDDA/NaAlg 和纯 NaAlg 体系中的自由体积可视化（蓝色和灰色区域分别代表孔隙和聚合物链域）。PDDA/NaAlg 和纯 NaAlg 体系的自由体积分数（j）和均方位移（k）。

图6. 自供电设备演示。

a 传统摩尔斯电报模型和代码。b 基于光纤型 MEG 的信息传输设备的工作原理。c 使用光纤型 MEG 产生的电流信号变化通过摩尔斯电码传输信息。d 将纤维集成到不同形状的系统中：针织织物、五角星形状、蜘蛛网设计和在纱布中嵌入“NPL”字样的纤维。e 动作电位诱导的生物突触和 MEG 电位供电的人工突触装置的示意图。f 使用一个 MEG 单元在不同脉冲持续时间下获取的长期增强 (LTP) 曲线。g、h 使用一个 MEG 单元获得的 LTP 和长期抑制 (LTD) 曲线。i、LTP 和 LTD 与一个 MEG 单元供电的脉冲数量的关系图。

来源：华算科技