Трибоэлектрический наногенератор на основе крахмальной бумаги для определения человеческого потоотделения

Введение

Ожидается, что привлекательные атрибуты гибкой электроники, например ее растягиваемая / сгибаемая механическая гибкость, малый объем и способность к биоразложению, будут играть ключевую роль в одноразовом использовании, связанном с электронной безопасностью, биодатчиками, интеллектуальной упаковкой и визитными карточками [1 , 2,3]. Фактически, гибкая электроника, использующая одноразовые подложки, привлекла значительное внимание из-за их биосовместимости, химической растворимости и экологичности. Поэтому для изготовления носимой электроники использовались различные гибкие и одноразовые устройства [4,5,6], включая динамические устройства с собственным питанием и интеллектуальные датчики. Как правило, для работы носимой электроники этого типа требуется дополнительный источник питания. Тем не менее, традиционные (т. Е. Непереносные, небиосовместимые и неустойчивые) батареи нуждаются в постоянном источнике химической энергии. Поэтому разработка подходящего источника питания имеет важное значение для решения проблем, связанных с носимыми электронными гаджетами.

Трибоэлектрический наногенератор (TENG) широко исследовался в области сбора энергии [7,8,9,10,11,12]. TENG может преобразовывать механическую энергию окружающей среды в электрическую и представляет собой новый источник энергии, основанный на процессах контактной электризации и индукции электростатического поля [13,14,15,16,17]. Соответствующие модели этих устройств широко используются для питания носимых электронных устройств [18,19,20,21]. Кроме того, комбинируя ТЭНы с различными типами трибоэлектрических источников, можно получить датчик с автономным питанием для различных применений [22,23,24,25]. Однако в основе большинства традиционных ТЭНов лежат экологически чистые материалы, например, трудноразлагаемые полимеры. Следовательно, эти TENG могут использоваться в будущих приложениях только в ограниченном объеме.

Крахмал является многообещающим сырьем для разработки разлагаемых субстратов, так как он менее дорог, чем другие альтернативы, встречается в изобилии и является возобновляемым. Здесь мы проиллюстрировали одноразовые устройства TENG на основе экологически чистой биоразлагаемой крахмальной бумаги. Все используемые материалы являются рентабельными и коммерчески доступными. TENG (S-TENG) на основе крахмальной бумаги может быть изготовлен с помощью простого процесса, когда крахмальная бумага собирается с металлической проволокой. Созданный TENG может использоваться как автономный датчик потоотделения человека. Кроме того, предлагаемый TENG имеет потенциал для применения в области носимой электроники.

Метод

Сборка S-TENG

Крахмальная бумага (толщина:~ 1 мм) была получена от GILRO Corp. (Израиль). Одна сторона бумаги соединяется с металлической проволокой, а затем обрызгивается водяным паром, в результате чего получается S-TENG. Механизм изготовления, схематически показанный на рис. 1, можно отнести к категории простых и экономичных.

Схема процесса сборки S-TENG

Измерения и демонстрация на людях

Электронные характеристики были измерены с помощью цифрового осциллографа (DSOX6004A Digital Storage Oscilloscope). Изготовленный S-TENG (4,4 × 4,4 см ² ) был связан с человеческим локтем (металлический провод, обращенный к человеку). Кроме того, выходной сигнал S-TENG был измерен в течение различной продолжительности биомеханического движения человека.

Результаты и обсуждение

Рабочий механизм S-TENG схематично показан на рис. 2в. Предлагаемое устройство основано на эффекте сцепления между рукой человека и крахмальной бумагой. Когда есть физический контакт между рукой и бумагой, бумага приобретает отрицательные заряды на своей поверхности, тогда как рука приобретает положительные заряды. Более того, как только рука высвобождается, область перекрытия между рукой и заряженной бумагой уменьшается, и заряды на бумаге больше не полностью уравновешиваются зарядами на руке. Нестабильные отрицательные заряды на поверхности крахмала заставляют поток электронов к земле от заднего электрода бумаги. Тем не менее, когда рука снова приближается к бумаге, индуцированные положительные заряды на заднем электроде станут нестабильными и заставят поток электронов опускаться на землю.

а Водяная пленка начинает формироваться вокруг электродной стороны крахмальной бумаги, b образуется водная сеть, c рабочий механизм S-TENG

Результаты показывают, что рабочее состояние S-TENG можно разделить на два рабочих режима в зависимости от количества водяного пара, поглощенного крахмальной бумагой. Концепция переноса заряда проиллюстрирована на примере состояния, показанного на рис. 2cII. Как показано на фиг. 2а, в рабочем шаблоне 1 водная пленка первоначально формируется вокруг электродной стороны бумаги. Тем не менее, заряды все еще частично задерживаются в водной пленке неправильной формы, образуя потенциальный барьер, затрудняющий движение носителей. Однако в рабочем шаблоне 2 создается водная сеть (рис. 2b), и электронное сопротивление стороны электрода, содержащей крахмальную бумагу, значительно снижается.

Фотография изготовленного S-TENG представлена ​​на рис. 3а. В качестве внешней нагрузки использовался адаптируемый резистор, а при разном времени распыления водяного пара использовался осциллограф для измерения электронных сигналов резистора. На рисунке 3b показаны электронные характеристики S-TENG после первого распыления. Как показано на рисунке, увеличение сопротивления нагрузки (со 100 до 100 МОм) приводит к постоянному увеличению собираемого выходного напряжения. Однако максимальная выходная мощность достигается при сопротивлении нагрузки 15 МОм, и, следовательно, внутреннее сопротивление изготовленного ТЭН составляет ~ 15 МОм. Выходное напряжение (т.е. 11,2 В) при сопротивлении нагрузки 100 МОм приблизительно равно напряжению холостого хода, поскольку сопротивление нагрузки значительно больше, чем приблизительное значение внутреннего сопротивления. Затем была определена стабильность работы изготовленного бумажного TENG. Как показано на рис. 4, выходное напряжение (сопротивление нагрузки:100 МОм) изготовленного устройства лишь незначительно уменьшается во время испытания вертикальной силы.

а Фотография и б электронный вывод изготовленного S-TENG

Испытание на вертикальную силу изготовленного S-TENG. Выходное напряжение незначительно уменьшается при сопротивлении нагрузки 100 МОм

Крахмальная бумага показала сопротивление листа 19 МОм, 6,1 МОм, 1,5 МОм, 140 кОм и 130 кОм до распыления воды и после 1-го, 3-го, 5-го и 7-го распыления, соответственно. Соответствующие электронные активности S-TENG сравниваются, как показано на рис. 5. Выходное напряжение (при соответствующей нагрузке 100 МОм) увеличивается с увеличением времени распыления 0–3 (рабочий режим 1) и становится насыщенным при распылении. раз выше 3-го опрыскивания (рабочий образец 2). Распознавание жидкостей на водной основе, например человеческого потоотделения, обеспечивается благодаря корреляции между электронным напряжением и количеством водяного пара. Эта корреляция может быть охарактеризована через изменение внутреннего сопротивления S-TENG. Снижению внутреннего сопротивления S-TENG способствует использование водяного пара, поскольку введение воды снижает электрическую сопротивляемость крахмальной бумаги. Это уменьшение является результатом образования водопроводящих путей на поверхности и внутри бумаги. Кроме того, это воздействие становится особенно очевидным, когда вокруг электродной стороны бумаги начинает образовываться водяная пленка (рабочий рисунок 1). Кроме того, электронный вывод, возникающий до распыления воды, в основном связан с водой, связанной с зерновыми ячейками (что приводит к слабой электронной проводимости для носителей).

Зависимость выходного напряжения от количества ступеней разбрызгивания воды

Предлагаемый S-TENG использовался для определения человеческого потоотделения. Как показано на рис. 6а, S-TENG подключается к локтю человека после разной продолжительности движения тела. После этого обнаженный слой кожи человека очищается сухим полотенцем, и следует движение локтем (рис. 6; собранные электронные данные показаны на рис. 6c). Наблюдаемая тенденция аналогична показанной на рисунке 5, то есть с точки зрения корреляции между электронным выходом (соответствующая нагрузка:100 МОм) и продолжительностью движения человека. Результаты показывают, что предлагаемый S-TENG можно использовать для определения человеческого потоотделения и отслеживания времени движения человека.

а , b рабочий образец для сбора энергии движения локтя человека, c электронный выход (при соответствующей нагрузке 100 МОм) в зависимости от времени движения человека

Характеристики одноразовой крахмальной бумаги были определены путем оценки активности растворения, как показано на рис. 7. Во время этого определения бумагу погружали в водопроводную воду при легкой вибрации рукой человека, как показано на рис. 7а, на различное время. (см. рис. 7b – e). Крахмальная бумага полностью разрушилась в течение 4 минут, что указывает на то, что предлагаемый S-TENG может полностью разлагаться.

а Испытания на разлагаемость, проведенные путем погружения крахмальной бумаги в воду, b сразу и после б 1, c 2, d 3 и e 4 мин.

Заключение

В этой работе представлена ​​новая и простая методология изготовления одноразовых устройств TENG с использованием экологически чистой биоразлагаемой крахмальной бумаги. В быстром и простом процессе изготовления S-TENG используются экономичные и коммерчески доступные материалы. Структура крахмала может быть разрушена в воде в течение 4 мин. Предлагаемый TENG имеет значительный потенциал в области носимой электроники.

Сокращения

TENG:

Трибоэлектрический наногенератор