研究背景
近年来，由于各种传染病和流行病的频繁发生，人体健康监测受到了越来越多的关注。然而，传统电源的局限性以及普通传感器灵敏度不足阻碍了人体健康监测领域的发展。摩擦纳米发电机（TENG）不受电源限制，能够持续捕获人体产生的微小机械能并将其转换为电信号。这些发电机具有自供电、便携且高度敏感的特点，使电子设备具备了更强的能量收集和多功能传感能力。因此，它们在人体监测领域成为了一条可行且有前景的应用途径。碳纳米材料因其独特的物理和化学性质，有提高摩擦电荷密度并增强材料的电荷存储能力的潜力。这增强了TENG在捕获、传输和转换能量方面的多功能性，最终提高了其电输出性能。
文章概述
虽然许多综述概括了碳纳米材料的合成和普遍的特性，但讨论它们在为人类健康监测量身定制的TENG中的关键作用的文献库有限。本文从不同角度讨论了碳基TENG的进展及其在人体监测中的应用，包括碳纳米材料的不同维度、TENG增强电输出能力的基础机制以及TENG在各种类型的人类监测中的应用。首先介绍了一般的碳纳米材料及其独特的特性，随后深入阐明了碳纳米材料提高TENG输出性能的机制。最后，仔细回顾了碳纳米材料集成TENG在监测各种人体生命体征（如身体运动、呼吸和温度）中的应用。同时，本研究总结了有助于提高TENG输出性能的关键因素，讨论了TENG 应用在人类监测中的当前局限性，并设想了旨在提高 TENG适用性的未来趋势。
该成果以“Advances in carbon nanomaterial-based triboelectric wearable devices for human health monitoring”为题发表在权威期刊《Chemical Engineering Journal》上。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.157423
图文导读
图 1.优良的碳纳米材料。(a) 狄拉克点示意图。(b) MXene中的双层电容和氧化还原赝电容机制。(c) 激光合成的LIG和基于LIG的TENG的示意图。(d) 接触和分离的开路电压，力为2N 。(e) PDMS-石墨复合材料中微电容器的形成。(f) PDMS-石墨复合材料中的界面极化。
图 2.在碳材料基TENG中增加摩擦电荷的原理。(a) 基于皱缩石墨烯的TENG结构示意图。(b) 不同皱缩程度的皱缩石墨烯基TENG的短路电流和转移电荷密度。(c) 2D MXene 纳米片、蜘蛛网状CNF和MXene/CNFs复合膜的制备过程示意图。(d) MXene基TENG的示意图结构。(e) 具有不同外部电阻负载的开路电压。(f)气凝胶中的气固摩擦发电。
图 3.碳材料基TENG的电荷传导机制和特性。(a）TENG电荷捕获阻塞层的机理示意图。(b) 功能化 SWCNT/壳聚糖膜的导电机制和微观结构示意图。(c) SWCNT掺杂前后的摩擦电荷密度。(d) 基于CNT的TENG结构图。(e) 复合材料中微电容的示意图。(f) 复合材料中导电路径的示意图。(g) 氢键辅助电荷传输的示意图。(h) GO含量对TENG输出的影响。
图 4.TENG 用于人类运动监测。(a) Zn-Co MOFs@MXene 的合成过程示意图。(b) 将TENG附着在手指上的人体运球示意图。(c) 当该人以正确的方式(i)和错误的方式(ii)运球时，来自该人手指和手掌中心的TENG发出的电压信号。(d) 用于实时压力跟踪的触觉传感器阵列示意图。(e) PDA-CNTs/PVA水凝胶的制备。(f) PDA-CNTs/PVA水凝胶的CNT修饰和自修复机制示意图。(g) TENG的示意图结构。(h) TENG的光热处理模拟。(i)(i) 纯 PVA (ii) 原始 PDA-CNTs/pva 水凝胶(iii) 自修复 PDA-CNTs/pva 水凝胶的应力-应变曲线。(j) TENG 在肘关节和膝关节不同弯曲角度下相对电阻的变化。
图 5.用于呼吸监测的 TENG。(a) 与云母接触的是/否 Mxene 掺杂材料的能带的简化图。(b) 单元块在施加压力下的变形过程。(c) (i) PDMS 微球层示意图。(ii) 单元块的横截面示意图。(d) 压力传感器的制造过程和结构示意图。(e) PDMS微球层的横截面图。(f) 呼吸频率监测测试期间记录的电压信号。(h) RGO/TiO2 在低相对湿度和高相对湿度下的吸附模型。(i) RGO/TiO2 p-n 异质结的形成和吸附水分子的能带模型。
图 6. 用于心脏和血管监测的TENG。(a) 基于CNTs/PDMS的纳米柱状结构TENG的制备过程示意图。(b) TENG结构和脉冲响应示意图。(c) 该TENG与基于平面基底的TENG的输出对比图。(d) 植入式超级电容器和TENG的制备过程和结构示意图。(e) 大鼠心脏、肾脏、肝脏和脾脏细胞的细胞毒性测试。(f) 植入式TENG 的结构和封装过程。(g) 以不同心率接收的无线传输信号。
图 7. 用于汗液和温度监测的TENG。(a) 用于汗液监测的TENG的制备示意图。(b) 汗液传感过程中的酶促反应。(c) 通过乳酸盐印迹对TENG电极进行改性的过程。(d) 用于检测乳酸浓度的TENG结构。(e) TENG监测汗液中的乳酸盐浓度（0-20 mM）。(f) 自供电电子皮肤结构和传感机制示意图。(g) 电子皮肤对温度的响应。(h) 电子皮肤对压力的响应。
总结
目前，可穿戴TENG的便携性、灵敏度和自供电特性使其成为人体健康监测的理想工具。碳材料作为一种重要且发展迅速的材料系统，在TENG研究中的应用引人注目。本文系统回顾了这种材料在TENG中的应用和优势，以及TENG在人体监测领域的现状和前景。在TENG中，电荷传输的有效性与材料的电气特性直接相关。碳材料具有优异的电学特性和较大的比表面积，成为提高 TENG性能的重要组成部分，这些特性为提高摩擦电荷以及材料内部电荷的存储和传输提供了可能。同时，碳纳米材料优异的结构和机械稳定性使TENG能够适应各种复杂环境条件下的变形和应力，表现出卓越的耐用性和可靠性。这使它们适合用于人体监测的可穿戴柔性TENG。人体持续产生的机械能可被 TENGs 捕获并转化为电信号，从而实现对人体健康的监测。未来，可穿戴式TENG将在人类健康监测领域发挥更加突出的作用，为人们的健康提供更广泛、更便捷、更可靠的保障。
编辑：王富贵儿 | 审核：树屋鼠
