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一種可用于收集水滴能量的疏水性紡織品

來源:紡織導報 | 作者:紡織導報 | 時間:2021-10-28 16:08:08 | 訂閱《東方紡織》周刊

近年來,可穿戴技術得到快速發展,研究人員創造了各種多功能可穿戴設備,極大地豐富了人們的生活。為了收集可穿戴設備周圍分布的機械能,人們已經得到了一些能量收集技術成果,如摩擦納米發電機(TENGs)等。然而,TENGs中常用于水滴能量收集的聚合物薄膜具有透氣性差、親膚性差和疏水性不可修復等缺點,從而限制了其在可穿戴領域的進一步應用。因此,開發具有防水、透氣、自我修復等多功能面料,實現人體運動能量和環境水滴能量的采集,對可穿戴電子產品的可持續供電具有重要意義。鑒于此,中國科學院北京納米能源與系統研究所的研究人員開發了一種全織物TENG(F-TENG),其不僅具有良好的透氣性和疏水性自修復性能,而且還顯示出有效的能量轉換效率。

F-TENG的特點

疏水織物的表面物質由SiO2納米粒子、FDTS和PVDF-HFP組成,三種組分的共同作用使織物表現出良好的疏水性以及耐酸堿性,而且由于其玻璃化轉變溫度低,PVDF-HFP在加熱條件下可以促進FDTS分子向表層移動,實現疏水自修復功能。制備的疏水織物具有自清潔能力,通過水滴可以很容易地將石墨粉從表面去除。此外,研究人員還測試了涂層織物和原織物的透氣性。疏水織物的透氣性高于普通商用牛仔織物。這些結果表明疏水性織物在可穿戴應用領域仍然具有良好的透氣性和舒適性。

疏水織物的制備過程和表征

研究人員使用多功能疏水織物構建了用于水滴發電的F-TENG。當水滴從高處滴落時,水滴先滴在表面,然后在疏水表面擴散。在水滴與頂部電極接觸之前,所有感應電荷將分布在底部電極上。一旦擴散的液滴與頂部電極接觸,電子將從頂部電極轉移到底部電極以平衡電位差,產生峰值電流信號。當鋪展的水滴達到最大面積后,水滴開始收縮并從疏水表面滑落。由于水滴的擴散面積隨著水滴的收縮而減小,底部電極會再次感應出相反的電荷,以平衡疏水表面的負電荷,并產生相反的峰值電流。實驗結果表明,該疏水性織物具有較好的輸出性能。

F-TENG的工作機制和優化

為證明F-TENG在水滴能量收集方面的良好性能,研究人員進行了一系列實驗來模擬實際條件,以測試F-TENG的電學性能。F-TENG的最大輸出功率遠高于用于水滴能量收集的傳統單電極模式TENG,實現了2.9%的總能量轉換效率。在18000個循環加工后,F-TENG沒有顯著的輸出電壓波動,表明了其在水滴能量收集應用方面的長期穩定性。F-TENG用于為不同的商用電容器充電。0.47 μF電容可在40 s內充電至12 V。最后使用F-TENG點亮LED,發現一個水滴可以點亮25個LED,這表明F-TENG可以有效地收集水滴能量,為可穿戴設備提供能源保障,在未來有巨大的應用潛力。

F-TENG在水滴能量收集中的應用

相關工作以“A Hydrophobic Self-Repairing Power Textile for Effective Water Droplet Energy Harvesting”為題發表在《ACS Nano》上。

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責任編輯:任萍

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