江南大学魏取福/吕鹏飞团队《Nano Energy》：能量收集与辐射冷却的强大集成使佩戴热舒适的自供能电子设备成为可能
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尽管电子皮肤、医疗保健和无线通信等可穿戴电子产品已经取得了重大进展，然而，传统电源(如电池、超级电容器等)因其寿命短、刚性强、与织物集成困难以及过热产生的安全问题等限制了其进一步发展。摩擦电纳米发电机(TENGs)利用摩擦生电和静电感应的耦合效应，具有高效率、可持续性和灵活性等优点。它们可以从环境和人体运动中收集机械能，为电子设备供电。因此，柔性和便携式TENG设备在下一代可穿戴纺织品的应用中表现出显著优势。然而，最近报道的TENG材料(如旋涂膜、气凝胶、纤维)很难满足良好的穿着热舒适性要求，特别是在室外炎热环境下。
近日，江南大学魏取福教授、吕鹏飞研究员提出了一种具有超拉伸、透湿透气、超疏水的无纺布基TENG，同时具有被动辐射冷却(PRC)性能。在期刊《Nano Energy》上发表了最新研究成果“能量收集与辐射冷却的强大集成使佩戴热舒适的自供能电子设备成为可能”（Robust integration of energy harvesting with daytime radiative cooling enables wearing thermal comfort self-powered electronic devices）。研究者通过静电纺丝自组装辅助电喷涂设计并制备了一种兼具机械能收集、传感和辐射制冷的无纺布织物，这种创新的设计旨在解决以上挑战。为促进下一代可穿戴热舒适自供电电子产品的设计和开发提供了新的思路。
论文通讯作者为江南大学纺织科学与工程学院魏取福教授和吕鹏飞研究员，论文第一作者为江南大学纺织科学与工程学院博士生樊崇辉。该研究工作得到了国家自然科学基金、中国科协青年人才托举工程基金、江苏省自然科学基金和江南大学人才引进基金等项目支持。
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研究亮点
设计制备了一种有效的穿着热舒适的自供电无纺布织物。
PVDF-HFP/SiO2纳米颗粒不仅提高了摩擦电输出，而且具有理想的PRC性能。
基于纺织品的TENG具有良好的透气性、透湿性和超疏水性。
PVDF-HFP/SiO2纳米颗粒不仅提高了摩擦电输出，而且具有理想的PRC性能。
图1. PSST的结构设计及应用。
与广泛探索的TENG材料(例如，PDMS薄膜，纤维素气凝胶)不同，对多功能和个人热管理材料的深入了解仍然需要。我们的系统研究为如何开发一种穿着热舒适的织物提供了前所未有的见解。研究者通过静电纺丝自组装辅助电喷涂设计并制备了一种兼具机械能收集、传感和辐射制冷的无纺布织物（PSST-TENG）。其优良的透气透湿、超拉伸和热管理性能提升了穿着舒适性。
图2. PSST的疏水性、透气性和力学性能表征。
所制备的PSST-TENG具有较高的机械应变(1002%, 1.63 MPa)、透气性(215 mm s−1)、透湿性(1975 g m−2 d−1)和超疏水性(WCA = 158o)。其透湿透气性能可媲美于针织涤纶和机织棉织物，还具有纺织品难以达到的超拉伸性和超疏水性，这极大提高了人体的穿着舒适性和适用性。
图3. PSST-TENG作为电源和自供电传感器的潜在应用。
共沉积的PVDF-HFP/SiO2微纳米颗粒不仅可以作为粘结剂和疏水剂，而且由于其高比面积而提高了摩擦电输出。将高性能PVDF-HFP/SiO2微纳米颗粒和高导电性LM(例如共晶镓-铟)集成到SEBS纺织品时，PSST-TENG展示了巨大的摩擦电输出，能够为小型电子设备供电(例如手表，280个LED)，监测人体运动(例如手指轻敲，行走)。
图4. 冷却机制和冷却性能。
此外，PVDF-HFP和SiO2由于其分子结构振动和强声子极化共振，具有理想的PRC性能，实现了“一石二鸟”的功能。由于SiO2和PVDF-HFP的协同作用，PSST具有很高的光谱选择性，与棉织物相比PSST达到了 ~9.5 oC的降温性能。
图5. PSST的人体穿戴热测试。
此外，通过在室外光照下测试PSST在皮肤模拟装置上的冷却性能。相比之下，在相同的环境条件下，覆盖PSST的模拟皮肤温度比覆盖棉花和未覆盖的皮肤温度分别低4°C和10°C。红外图像描绘了纺织品和身体其他部位之间的温度变化。值得注意的是，PSST表现出比SEBS和棉花更低的表面温度，从而产生冷却感。
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小 结
本工作采用静电纺丝辅助静电喷涂技术，将PRC融入TENG系统，作为个人穿戴热舒适电子产品。这项工作有助于下一代TENG的发展，用于机械能收集、自供电传感器和零能量输入冷却，旨在促进该技术在现实世界中的实际应用。
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285523006791