隨著電子科技產業的迅速發展，可穿戴的智能電子設備越來越小型化、便攜化和智能化，進而要求供電系統等相應的配套設施必須滿足這類新型設備的需求。但是，目前使用的傳統固態大容量電池既大又沉重、小容量電池雖小但供電時間又太短，都無法滿足需要。
摩擦納米發電機（Triboelectric Nanogenerator, TENG）是一種利用摩擦起電效應和靜電感應效應發電的新型能量轉換裝置，可以收集周圍環境中的多種形式的機械能，并將其轉換為電能。其器件結構簡單、輸出性能較高、穩定性出色，為解決智能可穿戴電子設備的供能問題提供了新的令人滿意的解決方案。
已有的摩擦納米發電機的摩擦層通常選用兩種不同得失電子能力的材料，這些材料多為昂貴的金屬或不可降解的聚合物材料。極有必要尋找一種經濟、輕質、生物相容性好、可降解的材料來替代這些材料。近期，南京工業大學先進材料研究院黃維院士和于海東教授團隊在前期研究工作的基礎上（ACS Nano, 2020, DOI: 10.1021/acsnano.9b09880），從廢棄的魚鱗中提取出魚明膠并制備成魚明膠薄膜，再以魚明膠薄膜為正極摩擦材料制備出成本低、性能高、環境友好、功能多的摩擦納米發電機，如圖1所示，為智能可穿戴電子設備的供能裝置以及人體自供電傳感器的材料選擇提供了新思路、開辟出了新途徑。
圖1：魚明膠溶液的制取以及使用魚明膠薄膜制備摩擦納米發電機的示意圖。
近些年來，由于不斷爆發的瘋牛病、口蹄疫以及宗教信仰的限制，牛明膠和豬明膠逐漸被使用魚鱗廢棄物制備的魚明膠代替，魚明膠因其具有優良的物理性質，被廣泛應用于食品、醫藥、照相、化妝品等方面。研究表明，魚明膠中含有近20種氨基酸，其中的丙氨酸、脯氨酸、谷氨酸等具有很強給電子能力的氨基酸殘基的數量約為40%，而其中的賴氨酸、精氨酸、絡氨酸等具有得電子能力的氨基酸殘基則僅占19%。因此，給電子效應占據主導地位的魚明膠薄膜可以作為極好的正極摩擦材料制備新型摩擦納米發電機，如圖2所示。紅外靜電測試儀的測量結果也表明，魚明膠薄膜作為強給電子效應的材料，其表面電勢明顯高于鋁箔、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）和薄紙等材料，而且電勢維持的時間更長。與鋁箔、PET、薄紙等其他常用的正極摩擦材料相比發現，將魚明膠薄膜用作摩擦納米發電機正極材料時，其輸出性能明顯高于以上述三種材料作為摩擦層制作的摩擦納米發電機的性能。
圖2：魚明膠薄膜與其他常用材料制備的摩擦納米發電機性能的比較
使用魚明膠薄膜制備的摩擦納米發電機產生的開路電壓（Voc）、短路電流（Isc）和輸出功率密度分別達到了130 V、0.35 μA、45.8 μW cm?2。通過手指對魚明膠發電機進行周期性按壓，可直接點亮50盞串聯的LED燈珠。在這種發電機的電路中接入橋式整流器對交流電信號整流后給商用電容器充電，一分鐘便可以將10 μF的電容器充電至約2 V，足以滿足電子表、計算器等小型電子設備的供電需要，如圖3所示。上述事實足以證明，使用魚明膠薄膜制備摩擦納米發電機是一種更可靠、更廉價、更綠色環保的全新的能量供給裝置。
圖3：魚明膠薄膜制備的摩擦納米發電機性能的圖示。
還要特別指出的是，傳統的基于壓電和壓阻原理制備的壓力傳感器通常必須依賴外接電源才能監測人體的生理信號。但是，魚明膠薄膜制備的摩擦納米發電機對施加在機體上的外力特別敏感，可以作為自供電的壓力傳感器用來監測手指個數、用力大小、關節活動、呼吸情況、運動狀態等生理信號，如圖4所示，顯示出魚明膠薄膜制備的摩擦納米發電機在醫療保健、運動健康等方面具有重要的研究意義和極好的應用價值。
圖4：魚明膠摩擦納米發電機作為自供電傳感器監測人體生理信號的圖示。
總而言之，廢棄魚鱗制備的摩擦納米發電機具有成本低、性能高、環境友好、功能多等優勢，在電子設備的供能和自供電傳感等方面具有巨大的發展潛力和極好的應用前景。
該研究以Fish gelatin-based triboelectric nanogenerator for harvesting biomechanical energy and self-powered sensing of human physiological signals 為題近日發表在ACS Applied Materials & Interfaces 2020, DOI: 10.1021/acsami.0c01061。
文章作者：Yaojie Han（韓堯杰）, Yufeng Han（韓雨鋒）, Xiaopan Zhang（張曉盼）, Gang Lu（呂剛）,通訊作者：Hai-Dong Yu（于海東）*，Wei Huang（黃維）*。
論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.0c01061
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