摩擦纳米发电机 （TENG） 为自供电的可穿戴和便携式电子设备提供了潜力，这些电子设备可以植入皮肤下（例如，在指尖），以将触摸刺激转换为电压。然而，人类触摸导致 TENG 集成设备上有害细菌的扩散仍然是一个问题。
本文介绍了使用阳离子季铵基聚偏二氟乙烯（NH4-PVD） 制备抗菌薄膜基 TENG （AF-TENG）。随着阳离子基团接枝含量的增加，介电常数、β相含量和摩擦积极性增加，从而提高了 AF-TENG 的性能。此外，基于 40 wt% NH4-PVDF 的 TENG 作为自供电源在各种应用中具有潜在的适用性，包括照明发光二极管 （LED）、充电电容器和驱动秒表。AF-TENG 在 21,000 次循环中表现出高耐用性。同时，它对铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌表现出优异的抗菌活性 （99.99%）。这些发现证实了拟议的 NH4-PVDF 作为抗菌和摩擦积极材料的潜力，并为未来促进可穿戴和便携式能源生产的可持续材料提供了见解。
图1.NH4-PVDF的合成和表征。
含季铵阳离子单体接枝制备阳离子基PVDF的合成路线。通过TGA和FTIR证明了其成功合成。
图2.NH4-PVDF的抗菌性能。
用季铵盐接枝的NH4-PVDF表现出优异的抗菌性能。从涂板实验中未观察到活菌，杀菌率超过 99.99%，大大优于原始P（VDF-CTFE）。这种增强的抗菌活性可归因于接枝阳离子基团，它们通过接触杀伤机制对通用细菌物种有效，阳离子聚合物膜和带负电的细菌细胞之间的静电相互作用，这导致细菌细胞壁的破坏和随后的细胞内物质泄漏。
图3. AF-TENG 的工作机制
为了评估摩擦电输出性能，构建了一个AF-TENG，并对其电学性能进行表征，结果表明，NH4-PVD中阳离子基团含量的增加与输出性能的提高之间存在明显的关系。
图4.NH4-PVDF与AF-TENG的关系
NH4-PVD中阳离子基团接枝含量的增加由于体积庞大的阳离子基团而增加了自由体积。此外，阳离子基团中酯基团（–COO–）的π键和极性特性有助于主链中的高极化率和增加净偶极矩。因此，随着NH4-PVDF中阳离子基团的量，观察到介电常数的显着增加增加。结果表明，NH4-PVDF的介电常数增加显著提高了AF-TENG的输出性能。同时可以确定摩擦电输出性能的改善不受表面粗糙度的影响。
图5.AF-TENG的相关电学数据。
研究了NH4-PVDF的的厚度与摩擦电输出性能的关系，观察到 TENG 性能和厚度之间存在反比关系。随着NH4-PVDF中阳离子基团接枝量的增加，NH4-PVD的介电常数、β相含量和摩擦正性增加，从而提高了AF-TENG的性能。
图6.AF-TENG 的耐久性和环境稳定性。
摩擦电输出性能在 21,000 次循环中保持稳定，证明了 AF-TENG 的长期耐用性。由于接枝基团对 PVDF 主链的强烈固定，AF-TENG在机械上具有强度和在重复力下保持其输出性能。此外，AF-TENG的抗菌性能在长期运行后保持不变，进一步证实了其稳定性。AF-TENG 在五次浸渍-去除循环后仍保持其性能，从而证实了其对水引起的快速环境变化的稳定性。
图7.AF-TENG的应用。
首先组装了一个整流器电路，将交流输出转换为直流输出，并通过连接电容器来验证能量充电能力， 图d也证明了AF-TENG 为电子设备供电的能力。
本研究采用ATRP方法，通过将带有季铵基团的阳离子单体接枝到P（VDF-CTFE）上，成功开发了高摩擦电性能和抗菌的NH4-PVDF。特别是，由40 wt%NH4-PVDF和PTFE组成的AF-TENG产生了优异的输出电压、电流和电荷密度。此外，其最大功率密度是基于P（VDF-CTFE）的TENG的24.1倍。该设备在各种应用中显示出作为自供电电源的巨大潜力，包括照明LED、为电容器充电和驱动秒表。AF-TENG在21000次重复力冲击循环后也保持了其输出性能，从而表现出高耐用性和长期稳定性。值得注意的是，NH4-PVDF薄膜表现出优异的抗菌性能，对铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌的有效性为99.99%。因此，这项研究证明了摩擦正性和抗菌PVDF共聚物的广泛应用和新的可能性，并为设计和制造新型抗菌和自供电可穿戴设备提供了一种新方法。
近期，该研究成果以“Dual-function triboelectric nanogenerators: Integrating enhanced energy harvesting and antibacterial properties for wearable and portable electronics”为题发表于学术期刊《Chemical Engineering Journal》，论文第一作者为Insun Woo，通讯作者为韩国技术教育大学Jin Woo Bae。
撰稿人：佘 雨
审稿人：罗桂宇
论文全文链接
https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.158112
抗菌抗污材料前沿
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