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第一作者：Renyun Zhang通讯作者：Zhong Lin Wang，Wenshuai Chen，Renyun Zhang通讯单位：中瑞典大学，中科院北京纳米能源所，佐治亚理工学院，东北林业大学DOI: 10.1002/adma.202416641

背景介绍

在过去十年中，摩擦电纳米发电机（TENG）作为一种创新的能量收集解决方案，特别是为小型电子设备和自供电传感器供电，受到了广泛关注。这些装置利用介电材料，通常是工程塑料，如尼龙和特氟纶作为摩擦电层，与金属电极配对，通常由铜或铝制成。选择这些材料是因为它们具有很强的正负电荷亲和力，这对产生摩擦电效应至关重要。尽管存在强烈的摩擦电效应，但工程塑料的广泛使用带来了环境挑战，这导致了欧盟推动逐步淘汰一次性塑料等监管行动。这引发了人们对可持续替代品的寻找，这些替代品可以提供类似的摩擦电性能。在蓝色能源应用中，对这种材料的需求尤为迫切，其中TENG用于利用海浪和潮汐的能量，需要大量的摩擦电材料。最近的研究集中在纤维素基替代品上，我们的研究表明，再生纤维素由于其高密度和防潮性，是一种高效的摩擦正极材料。此外，其他研究工作表明，表面改性的纤维素也可以实现强烈的摩擦电效应，这表明了开发环保材料的潜在途径。尽管如此，上述纤维素材料是一种非工程纤维素材料，限制了其在大规模TENG应用中的使用，需要工业规模生产的材料创新。除了摩擦电材料的挑战外，电极材料的选择也给扩大TENG带来了另一个挑战，因为铜和铝等金属的使用增加了生产成本。我们的研究探索了石墨纸作为金属电极的潜在替代品，尽管其相对较高的成本仍然是一个障碍。解决这个问题需要开发更具成本效益和可扩展性的电极材料，以提高TENG的商业可行性。除了材料挑战之外，将TENG集成到智能应用中，特别是自供电传感器，是一个越来越受关注的领域。这些传感器通常以两种模式之一运行：直接触发TENG或检测传感器和目标对象之间的电容变化。在这两种情况下，未来都需要高成本效益和环保的材料。

本文亮点

1. 工程纳米石墨涂层纸被提出作为摩擦电层的一种可持续且高性能的替代品。这种可以工业规模生产的材料为金属电极提供了一种可行的替代品。2. 纳米石墨和纸的结合，具有大的接触面积和固有的表面粗糙度，在表面静电放电的驱动下能够实现超过 14 kW m-2的超高功率密度。3. 除了能量收集之外，还开发了用于地板和墙壁的智能传感器，用于检测运动以实现安全目的，以及用于监测睡眠期间身体运动和生理活动的智能床单。

图文解析

图1. 为 TENG 和智能传感设计 NG@P。为能量收集和智能传感设计摩擦电纸。a) 用于涂层的纳米石墨/MCC 浆料制备示意图。b) 涂层工艺示意图。c) 包括由 NG@P 制成的摩擦电传感器的智能家居系统示意图。

图2. NG@P 的制造。a) 瑞典 UMV Coating Systems 工厂的 NG@P 生产线照片。b) 照片显示（从左到右）牛皮纸卷、待涂覆卷的安装、涂覆过程和最终的 NG@P 卷。c) 纸上纸纤维的 SEM 图像。插图显示了纤维表面的放大视图。d) 纸上涂覆的纳米石墨层的 SEM 图像。e) NG@P 的横截面视图显示纳米石墨层和纸基材被红色虚线隔开。

图3. 用于 TENG 的 NG@P 的纸面。a) 使用 NG@P 的纸面和 PTFE 作为摩擦电层的 TENG 结构。b) 在不同接触-分离频率 3.5、4.5、6.5 和 8 Hz 下测量 TENG 上的 VOC。c) 在不同接触-分离频率 3.5、4.5、6.5 和 8 Hz 下测量 TENG 上的 ISC。d) 在不同负载电阻下测量 TENG 上的电压和电流图。e) TENG 的功率密度与负载电阻的关系图，显示基于不同方程的结果。f) 使用 TENG 在不同频率 3.5、4.5、6.5 和 8 Hz 下对 100 µF 电容器充电。插图显示了电压图 (f) 使用 TENG 在不同频率下对 100 µF 电容器充电。插图显示了 15 秒充电时的电压与频率的关系图。g）不同接触-分离速度下的 VOC 图。h）VOC 与接触-分离速度的关系图。

图4. NG@P 作为金属的替代电极。a) 两种 TENG 的结构，一种使用 NG@P 的纳米石墨面和 PTFE，另一种使用铜和 PTFE 作为摩擦电层。b、c) 在两种 TENG 上测量的 VOC 和 ISC。d) NG@P TENG 在 10 000 次循环中的稳定性。e) 使用 NG@P 上的纳米石墨层作为电极的 TENG 结构，该电极附着在玻璃纸薄膜上，并与 NG@P 的纳米石墨面配对作为摩擦电层。f) 在不同负载电阻下测得的 TENG 电压和电流图。g) TENG 的功率密度与负载电阻的关系图，显示基于不同方程的结果。h) 使用 TENG 为 0.15、1、10 和 100 µF 电容器充电。

图5. NG@P 作为运动传感器。a) 基于 NG@P 的地板传感器，可感应人体运动。插图显示了放在地板上的 NG@P。b) 人在地板上行走时的电路示意图。当人从 P0 移动到 P1 时，P0 和红点以及 P1 和读取点之间的电阻会发生变化，从而导致红点和地面之间的电位差。c) 人在来回走动时在 DMM 上测量的电压。d) 使用连接到四通道 DAQ 的四个 NG@P 带的单壁运动传感器。可以检测到 x 和 y 方向的运动。插图显示了贴在墙上的 NG@P 带的照片。e) 人在来回走动两次时 DAQ 上的测量信号图。f) 人在距离墙壁不同距离处向前行走时 DAQ 上的测量信号图。g) 双壁运动传感器使用四个 NG@P 带，它们安装在两面墙上并连接到四通道 DAQ。这种布置可以感知更复杂的运动，例如循环。h) 人体循环时 DAQ 上的测量信号图。i) (d) 和 (e) 中情况的工作机制。中间带正电荷 (+Q) 的人体与墙上的 NG@P 形成四个电容器，并使用四通道 DAQ 测量它们相对于地面的电位。当人从一个地方移动到另一个地方时，人体与 NG@P 带之间的距离会发生变化，从而改变它们的电位。

图6. NG@P 作为智能床单。a) 用于感知身体运动和生理活动的智能床单。b) 智能床单电路图。c) 参与信号生成过程的物体，穿着（左）或不穿着（右）。d) 反映身体生理活动的正常呼吸、咳嗽和打鼾的测量信号。e) 先向左转头，再向右转头时测量的信号。f) 将整个身体向左转后，再向右转后，测量的信号。g) 抬起和放下腿和手臂时测量的信号。