【文章概述】

摩擦电纳米发电机（TENG）因具有成本低、材料的多样化选择及高的转换效率，而成为分布式传感器网络节点的电势的电源解决方案和大规模可再生能量。传统的TENG制造工艺是先准备各种功能层、支撑层，然后组装它们。考虑到TENG的应用环境的复杂化和多样化，对TENG的要求也越来越高。开发可定制、标准化和可扩展的TENG制造技术具有重要的现实意义。而随着3D打印技术不断进步，3D打印技术已用于TENG的制造。但目前TENG的3D打印技术也只是在整个制备过程中准备一部分功能层，这些TENG没有进行封装，不适合未来的标准化、定制化和批量生产。

【成果简介】

中国科学院北京纳米能源与系统研究所张弛研究员团队提出了一种基于 3D打印的TENG 一站式制造方法。以镍粉和聚四氟乙烯微粒为原料，通过系列组合掺杂到Dragon Slow Skin 10（DSS10）基材中，制备了一系列功能性印刷油墨。在接触分离模式下，TENG 的每一层都可以在可编程的三轴平移阶段用准备好的墨水依次打印，具有完全封装、各向同性、柔韧性和可拉伸性。在此基础上，收集生物力学能量为电子手表、温度计等便携式电子设备持续供电。该材料符合奇材馆理念，后续开发值得期待！

【图文导图】

图1 各种油墨的机械性能和电导率表征。

(A) 含镍量70%和聚四氟乙烯(PTFE)含量40%的3d打印油墨。

(B-C) 表面扫描电子显微镜(SEM)图像显示镍粉和(C)聚四氟乙烯(PTFE)微颗粒均匀分布在(DSS10)基体中。

(D) 刮镀镍/DSS10油墨制备的薄膜电导率。

(E) 不同镍含量的薄膜样品的拉伸测量，负载从60-75wt%。

(F) 薄膜杨氏模量随镍粉含量增加的变化曲线图。

(G) DSS10基体中不同镍粉含量的x射线衍射(XRD)扫描曲线总结。

(H) DSS10基体中PTFE颗粒含量增加时薄膜杨氏模量变化曲线图。

(I) PTFE/DSS10 的拉曼光谱，PTFE 粉末负载量从0％增加到40％。

图2 在特定尺寸的模具中，用刮削镍/DSS10和PTFE/DSS10油墨制备的固化薄膜构建TEN的结构和机理。

(A) 组装TENG的3D示意图。

  (B) TENG在典型接触和分离模式下的工作机制。

(C) 输出电性能表征测试过程照片。

   (D) TENG的开路电压 (VOC)、(E) 短路电流 (ISC) 和 (F) 转移电荷量 (QSC) 表征

图3 3D PTEN的设计原理和3D打印程序。

（A） 三轴位移台和注射泵的照片。

（B） 3D PTEN、封装层、镍电极层、支撑层和介电层的3D结构示意图，插入照片制备3D PTEN。

（C） 3D打印在聚氯乙烯（PVC）衬底上分九个连续步骤制备3D PTEN的过程。

图4 3D-pTENG的输出电特性。

(A) 3D- pteng(1和16 cm2)的三维结构示意图和照片。

(B) 3D-pTENG (1 cm2)在0-0.1 N的大范围压力下的VOC。

(C) 打印面积为1和16 cm2的3D-pTENG的VOC、ISC和σSC。

(D) 当施加频率从0.5 Hz增加到3.5 Hz的压力时，VOC的3D-pTENG (16 cm2)频率响应特性。

(E-F) 3D-pTENG的极端力学特性，包括扭转和100个循环的折叠测试。

(G) VOC/ISC与外载电阻的关系图。

(H) 3D-pTENG输出功率随外负载增加的变化情况。最大功率为72.6μW，外电阻为12.3 MΩ。

(I) 3D-pTENG在水中浸泡12min前后的VOC、ISC、σSC波形。

图5 研究电阻抗谱(PEC)和电阻抗谱(EHB)的输出性能。

(A)分别植入脚底和手腕的3d打印足底能量收集器(PEC)和能量收集手镯(EHB)。

(B-C) PEC和EHB 的6000次耐久性测试。

(D-E) PEC和(E) EHB作为机械能收集器在不同电容容量下的充电性能。

(F-G)由PEC和EHB并联100μF和47μF电容驱动的温度计和电子表的充电电压曲线。

(H-I) PEC和EHB分别驱动电子表和温度计正常运行的应用场景。

【奇材馆点评】

       在这项工作中，作者为我们展示可通过可编程3D打印设备展完成TENG的一站式制造过程，并制备了各种功能性墨水，这是一种全新、低成本、环保、无毒的制造策略。将3D打印的PEC和EHB 植入鞋底和手腕，可驱动包括电子手表和温度计在内的便携式电子设备正常运行。此项工作提出的一种新兴的TENG一站式制造方法，其在微纳能量收集、蓝色能量和基于摩擦电的物理传感器方面具有广泛的潜在应用。

【论文信息】

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