以下文章来源于EngineeringForLife ，作者EFL
丝基摩擦电纳米发电机（TENG）已被证明是自供电系统的理想平台。蚕茧（SC）来源于驯养的家蚕，具有天然的蛋白质-纤维复合结构，由高分子量的缠绕丝心蛋白纤维（SF）与胶状丝胶（SS）粘合而成，类似于核壳模型。SS富含非晶区，当受到外部压力时，可能导致非晶区和结晶区之间的摩擦电增强。然而，大多数研究人员在设计丝绸-TENGs时去除了SS成分，以消除免疫反应，通过复杂的脱胶，补液和透析程序在体内植入。
近日，来自香港理工大学徐宾刚教授团队首次设计了一种超坚固的天然蚕茧层（SCL）/聚二甲基硅氧烷（PDMS）-TENG作为能量收集器，以清除人类运动中的废物能量。在接触分离模式下工作时，SCL/PDMS–TENG分别在开路电压、短路电流和功率密度方面的电输出达到126 V、3 μA和216mW/m2。集成的自充电TENG可以为小型电子设备供电并监控人体运动。这项工作拓宽了具有SS保持力的新型介电材料选择，提高了TENG在实际应用中的输出性能。相关论文“Natural Silkworm Cocoon-Based Hierarchically Architected Composite Triboelectric Nanogenerators for Biomechanical Energy Harvesting”于2023年2月8日在线发表于杂志《ACS Applied Materials & Interfaces》上。
1. SCL的制备
如图1a所示，SC的形成经历三个阶段。SC具有大约九层的特殊多重层次结构。多层很容易分离，可能的原因是层间键合比层内键合弱得多，表明可以获得单个SCL。图1很好地描绘了整个茧壁厚度中不同层中茧组分的渐变形态。很明显，内表面（图1b）足够光滑，可以有效地覆盖SF上的致密SS，以形成高度粘合的网络。值得注意的是，丝纤维在外层表现为弯曲（图1d）。此外，外表面的SS涂层不会与SF纤维互连，可以看到清晰的裂纹，导致外层结构松散。图1e–g显示了三种SCL的粘合长度，其表现为ML表现出最大，并且丝质的权衡可能是由此造成的。
2. 三种SCL的特征
在研究SCL作为摩擦电正极材料的电性能之前，有必要对SCL的性能进行表征和评估。图2a显示了不同SCL的SS含量。如图2a所示，外层的SS含量最高，而IL含量最低。三种SCL的UV-vis漫反射如图2b所示，紫外线防护系数（UPF）定义为当皮肤未受保护时计算的紫外线辐射平均效应与当皮肤受到保护时计算出的紫外线辐射的平均效应之比。UPF值越高，紫外线防护功能越好。三种不同SCL的动态接触角测试照片如图2c所示。图2e，f中揭示了三种SCL的外层具有相似的β片和α螺旋含量。拉伸性能表明：不同SCL的强度范围从外层的3 MPa到ML的9 MPa（图2g，h）。
3. SCL/PDMS TENG的工作机制
SCL/PDMS TENG的工作机制如图3a所示，其工作原理为接触摩擦带电和静电感应，其中SCL为正极材料、PDMS为负摩擦层。在第一阶段，由于在外部负载下与电中性电路通电，PDMS膜和SCL表面上产生极性相反的等效电荷。PDMS膜带负电；同时，SCL带正电荷。在外力撤回时，PDMS膜与SCL膜分离，摩擦电层上的电子将流向电极，通过外部电路实现权衡，产生电信号。在这个过程中，摩擦电层每一侧产生的电子由于放电效应而逐渐减少，这可能归因于漂移、扩散、空气击穿和电荷复合，而电信号由于电路中更多的激活电子而增强。当间隙距离在分离后上升到最大值时，由于电路中断，整个电路平衡良好。当向摩擦电层施加压缩力时，偶极矩逐渐减小。然后，电势差几乎减小，导致产生从底部电极到顶部电极的反向电子流。重复交流信号可以通过PDMS膜和SCL之间的重复接触和分离产生。如图3b所示，IL的介电常数大于ML和外层的介电常数，这意味着IL的表面电荷密度最大，而外层的电荷密度最小。
4. SCL−TENG的输出性能
基于相同成分下不同的机械性能和表面形貌，研究者假设三种SCL/PDMS TENGs表现出不同的摩擦电性能。。图4a−c显示，OL/PDMS TENG表现出最佳的电气性能，更具体地说，OL/PDMS TENG的Voc、Isc和Qsc达到最大值126.5 V、2.91μA和45.41 nC，分别是ML/PDMS TENG的1.25、1.25和1.28倍。为了评估分层结构对TENG的影响，研究了堆叠效应。如图4f所示，随着堆叠层的增加，Voc呈现下降趋势，表明堆叠层在一定程度上可以阻挡电子流。Isc（图4g）和Qsc（图4h）的趋势与Voc相似。因此，感知到关于0.2mm SCL/PDMS TENG的126.5 V的峰值电压的幅度，这几乎是0.7mm（65 V）的2倍。
为了探索OL/PDMS TENG用于能量收集的实用性，通过对不同电容器（1、1.5和4.7μF）充电来研究OL−TENG的充电容量。1、1.5和4.7μF的电容器可以在15、23和65秒内快速连续充电至1.5 V，证明该设备作为可靠电源具有巨大潜力。图4j提供了OL/PDMS TENG在0.001 MΩ至3 GΩ的不同外部负载上的瞬时功率密度，在70 MΩ的电阻下实现了216 mW/m2的最大功率密度。图4k提供了近年来报告的Voc密度和Isc密度的比较，从中可以看出，本工作的Voc密度与Isc密度表现出更好的性能。循环测试表明，制造的TENG在实际应用中具有机械耐久性（图4l）。
图5a-c评估了三种TENG的外力和频率。令人惊讶的是，三种TENG的输出几乎线性上升，三种TENG的线性回归函数不同。与其他两种类型的TENG相比，ML/PDMS TENG显示出对外力的更敏感的反射，这可以归因于ML中平衡的丝绸质量。图5d–f显示了由于SCL表面上逐渐累积的摩擦电荷，输出电压和电流以及随着三种TENG频率的增强而增加的电荷。
5. OL/PDMS−TENG的机械能量采集
图6a描绘了OL/PDMS TENG自供电系统的等效电路，其中22 μF的电容器与高压二极管整流器并联，可以驱动商用电子手表正常工作。小型电子设备被供电以连续工作，例如手表（图6b）和计算器（图6c）。此外，OL/PDMS TENG 可用作可持续电源，并直接点亮44个绿色LED（图6d）。结果表明，我们的OL/PDMS TENG是一种有前途的高效清洁电源。
6. OL/PDMS TENG作为自供电可穿戴传感器的应用
基于灵活的特性，所设计的OL/PDMS TENG还可以作为传感器，实时和灵敏地监测人体活动。例如，它对主要关节运动具有良好的响应（图7a）。同时，所制备的OL/PDMS TENG在区分步行手势方面具有巨大潜力，例如图7b所示的步行，跑步或跳跃。
综上，本文首次成功制造了三种自然具有独特凸起结构的SCL/PDMS−TENG，具有巨大的自供电能量采集和传感潜力，用于监测人体运动。结果表明SCL的堆叠效应可能阻碍静电电荷的转移。凭借机械耐久性等优点，设计的OL/PDMS TENG进一步应用于一些低功耗电子设备，如计算器和手表，无需额外电源。基于聚合物的灵活性，OL/PDMS TENG也可以被视为良好的传感器，以快速、实时和无创的方式实现对生理信号和关节运动的全范围监测。因此，SCL/PDMS−TENG在生物集成领域具有巨大潜力，如可穿戴生物医学设备和热控制，同时拓宽了设计具有完整SS保留的丝基TENG的材料选择。
文章来源：
https://doi.org/10.1021/acsami.2c19233
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