研究背景
可生物降解材料通常具有来源广泛、环境友好、易于加工等优点。然而，与传统聚合物相比，电输出低、耐久性差、机械强度弱仍然阻碍了天然和可生物降解材料在TENG中的大规模利用。生物可降解材料目前可分为天然材料和合成生物可降解聚合物。天然材料，如氨基酸、蛋白质、多糖等材料具有独特的供/接受电子的官能团，显示出良好的摩擦起电潜力。研究人员通过物理工艺、化学改性和基因工程，极大地提高了天然材料的摩擦电性能、耐用性和抗极端情况的能力。特别是，氨基酸含有氨基和羧基官能团，它们具有优良的给电子能力，非常适用于正摩擦起电材料。将天然材料与先进的加工技术、制备方法和高介电常数材料相结合，氨基酸基材料可以逐渐成为可靠的摩擦电层。此外，通过调整合成的生物降解聚合物的结构、分子形态和性能，既能达到与传统聚合物相同的机械强度，又能保持天然材料优良的生物降解能力。许多合成的生物可降解聚合物应用于TENG领域，并取得了许多成果。其优异的稳定性和生物相容性已在体内和体外自供电装置中得到证实。Zhong Lin Wang的过往研究表明，聚合物侧链官能团密度影响摩擦电性能，并指出在合成的可生物降解聚合物系列中，聚环氧乙烷（PEO）具有最强的正摩擦起电性能。虽然天然和合成可生物降解摩擦材料的自供电系统推动了绿色TENG的进步，但高性能环保摩擦电层的研究仍需深入探索，以实现人与自然的可持续关系。
文章概述
本研究利用静电纺丝技术制备了具有高正摩擦起电性能的完全可生物降解的聚环氧乙烷(PEO) /半胱氨酸纳米纤维薄膜（PCF），构建了基于PCF的TENG （PC-TENG）和多层漏斗状TENG (MF-TENG)，不仅在有限的空间内保持了较高的电荷密度，而且保证了较高的峰值功率密度。PC-TENG的正摩擦起电材料通过合成生物可降解聚合物PEO和半胱氨酸氨基官能团，具有较强的给电子能力。通过对半胱氨酸掺杂参数的优化，发现含4 wt%半胱氨酸的PCF的开路电压为325 V，短路电流为48 μA，转移电荷为168 nC，分别是纯PEO静电纺毡的1.47倍，1.65倍和1.51倍。此外，它还受益于优异的正摩擦起电性能，与先前报道的以环保天然材料为摩擦层的PC-TENG相比，制备的PC-TENG的功率密度可达到3-110倍。此外，结合MF-TENG和相应的电源管理电路，通过收集微小机械能，设计了自供电传感器系统。因此，本研究为高性能、环保的自供电设备的实际应用奠定了基础，这些设备可用于收集用于物联网的微小机械能。
文章以“PEO/cysteine composite nanofiber-based triboelectric nanogenerator for tiny mechanical energy harvesting”为题发表在国际著名期刊《Journal of Materials Chemistry A》上。北京交通大学博士研究生郝逸君为本文的第一作者，北京交通大学李修函教授和张楚国副教授为本文通讯作者。
原文链接：https://doi.org/10.1039/D4TA06845A
图文导读
图1 MF-TENG的结构设计及工作原理。(a)半胱氨酸的广泛资源，半胱氨酸、PEO和FEP的分子结构。（b. i） MF-TENG工作示意图和（b. ii）工作状态下的详细结构图。
图2 PEO/半胱氨酸复合材料的制备和表征。(a)静电纺丝制造工艺。（b-c）纯PEO和PEO/半胱氨酸单个纤维SEM图像。(d)PEO/半胱氨酸单个纤维的硫元素Mapping。(e)半胱氨酸粉末、PEO电纺膜、PEO/半胱氨酸电纺膜的FTIR、(f) XRD、(g) XPS谱。（h-j） PCF的XPS S 2p， N 1s和C 1s核壳谱。
图3 PC-TENG的电学性能测试。(a)线性马达示意图。(b)不同半胱氨酸质量百分比PC-TENG的VOC、ISC和QSC。含4 wt%半胱氨酸PCF的PC-TENG在不同冲击频率下的(c)VOC、(d)ISC和(e)QSC。含4 wt%半胱氨酸PCF的PC-TENG在不同冲击力下的(f) VOC, (g) ISC,(h)QSC。(i)不同外部负载下的电压和功率密度。(j)商用电容器充电曲线。(k) PC-TENG 10k次循环稳定性试验
图4 MF-TENG的电学性能测试。(a)不同冲击频率下MF-TENG的VOC， (b) ISC和(c) QSC。(d)不同冲击力下MF-TENG的VOC、(e) ISC和(f) QSC。(g)缓冲层对MF-TENG的改进。(h)不同外部负载下的电压和功率密度。(i)由MF-TENG充电的商用电容器电压曲线。
图5 MF-TENG的应用。(a)MF-TENG从环境中获取能量的示意图。(b)轻踩MF-TENG产生的VOC、(c) ISC和(d) QSC。（e. i） PM电路原理图。（e. ii）脚踏、PM电路、电子器件集成系统照片。(f)连接/不连接PM电路的MF-TENG的转移电荷比较。(g) PC-TENG、MF-TENG、MF-TENG带PM电路充电的10μF商用电容器电压曲线。(h) MF-TENG驱动的温湿度传感器的电压曲线。(i) MF-TENG集成PM电路驱动湿热传感器的电压变化曲线。
总结
在这项工作中，为了提高捕获微小机械能的效率，我们展示了一种多层漏斗形摩擦电纳米发电机（MF-TENG）。聚环氧乙烷（PEO）和半胱氨酸作为一种环境友好、可生物降解的材料，在构建超高正摩擦起电层方面具有优势和潜力。软件仿真分析、静电纺丝工艺处理、材料工艺表征和摩擦电性能测试结果表明，含4 wt%半胱氨酸的PEO/半胱氨酸纳米纤维膜具有较高的能量收集效率。此外，利用半胱氨酸中独特的供电子官能团，所提出的 PC-TENG的摩擦电性能比纯PEO静电纺丝膜提高65%以上。PC-TENG的峰值功率密度达到6.6 W/m2。从功率密度的角度来看，PC-TENG的能量收集能力是以往研究中环保材料基的TENG功率密度的3-110倍。因此，本研究可为后续基于天然材料的TENG的研究提供指导意义。此外，多层漏斗状TENG (MF-TENG)与电源管理电路相结合，可以为电子设备提供可持续的电源。因此，我们的研究从环保和可持续能源的角度出发，提出了一种新的能量收集策略，将低成本、环保的材料与高摩擦起电性能相结合，以克服传统能源的局限性。此外，我们对柔性自供电器件的研究在未来物联网系统中具有广泛的应用潜力。
编辑：四火 | 审核：listen
