杨光教授团队在可穿戴智能产电及传感织物领域取得系列成果

4月28日，华中科技大学生命学院杨光教授与北京纳米能源与系统研究所王中林院士、孙其君研究员在国际权威期刊Nano-Micro Letters上发表题为“Biodegradable, Super‑Strong, and Conductive Cellulose Macrofbers for Fabric‑Based Triboelectric Nanogenerator”的研究论文。

随着社会的发展和人类对健康的重视，开发研究智能织物对人体运动状态进行实时的监测及可穿戴电子设备供能具有重要的意义，将引领人们的生活方式走向更加功能化、信息化、人性化和智能化。摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator,简称TENG）是一种可以将低频振动变化的机械能转化为电能的新型产能器件。与传统的电磁发电机相比具有结构设计简单、选材范围广、成本低、功率密度大及能量转化效率高等优势，在绿色能量收集、机体活动能量捕获、便携电子设备供能、个人健康监测、人机界面交互等领域得到了广泛的研究。而在智能织物方面，基于TENG的织物（织物基TENG）不仅可以收集人体活动的机械能，而且还能作为自供电传感器捕捉人体活动等信息，在可穿戴电子设备供能和健康监测等方面具有潜在的应用价值。而用于制造织物基TENG的导电纤维也得到了广泛的研究。但是目前用于制备织物基TENG的导电纤维线普遍为金属导线、碳基纤维和不可降解的聚合物复合物导电线等，很难兼顾机械强度、可水洗性、结构稳定性和环境友好型等。在这里，我们报告了一种超强机械强度、可生物降解和可清洗的纤维素基导电纤维线。该纤维线是利用BC的三维网络结构掺杂合成导电物质导电碳纳米管 (CNTs) 和聚吡咯 (PPy)后通过拉伸和湿捻的方法制备得到。制备的纤维素基导电纤维线具有449 MPa 的高拉伸强度（能够提拉 2 Kg的重量）、良好的导电性（~5.32 S/cm）和优异的稳定性（浸入水中1天拉伸强度和导电率仅下降 6.7% 和 8.1%）。降解实验表明，纤维线在纤维素酶的作用下108小时内可以完成降解。应用方面，由纤维素基导电纤维线设计制备的织物基TENG的最大开路电压为170 V，短路电流为0.8 µA，输出功率为 352 µW，能够有效为电容器充电并驱动如手表、温度湿度计及计算器等商业电子设备的运行。另外，织物基TENG可以附着在人体衣物上，作为自供电传感器有效监测人体多状态运动。

纤维素基导电纤维线用于构造织物基TENG及其应用示意图

本研究论文的第一作者是我校博士生胡三明，北京纳米能源与系统研究所博士生韩婧、我校石志军博士。杨光、王中林和孙其君为共同通讯作者。这工作得到了金砖国家科技创新框架计划（3rd call 2019）、国家重点研发计划（批准号 2018YFE0123700）、国家自然科学基金（批准号 51973076 和 52073031）、国家纺织新材料与先进加工技术重点实验室（批准号：FZ2021005）和中央高校基本科研业务费专项资金（批准号：2020kfyXJJS035、WUT2018IVB006、Z191100001119047）等的支持。

该工作是杨光教授团队在纤维素基环境友好型可穿戴生物医学传感器的又一重要成果。近年来， 杨光教授团队在纤维素基环境友好性的低频能源捕获器件及传感器等方面做了一系列的工作。先后在ACS Applied Materials & Interfaces，Nano Energy , ACS Nano, Nano-micro Letters等国际主流学术期刊发表多篇研究性SCI论文。阐述了超疏水液-固接触摩擦纳米发电机作为液滴传感器在生物医学上的应用潜力（ACS Applied Materials & Interfaces，2019，封面论文），全细菌纤维素基的TENG用于构造可生物降解环境友好型人机界面交互的应用（Nano Energy, 2021）, 细菌纤维素/分子铁电体用于构造柔性的可生物降解和可回收并且具有超强灵敏度的压电传感器及应用（2022，ACS Nano）。本工作是前期工作的拓展及深入，阐明了细菌纤维素在制备可水洗、结构稳定及环境友好的智能织物的应用前景。（来源：华中科技大学）