纳米人-Chem. Rev.综述:用于发电的智能纺织品

Chem. Rev.综述:用于发电的智能纺织品

雨辰雨辰 2020-03-24

化石燃料占全球一次能源消费的86％，而据研究化石燃料可能在150年内被耗尽。此外，燃烧化石燃料加剧了温室效应，有毒空气污染和颗粒物排放，对全球气候和生态系统都具有持久的有害影响。考虑到能源危机，环境污染和公共健康的威胁，寻求可再生和环境友好的能源解决方案以补充和最终替代化石燃料对于人类文明的可持续发展至关重要。同时，随着世界步入物联网（IoT）时代，无线传感器网络，大数据，机器人技术和人工智能正迫使世界使用一种新型的普适能源为数十亿个分布式设备提供可持续动力。据估计，到2020年，物联网设备的数量将达到260亿，这将极大地改变我们传统的通信方式和生活方式。电池等便携式储能装置似乎是提供普遍能源解决方案的直观选择。穿戴式电子设备，尤其是皮肤电子设备，是物联网用于个性化医疗，以及信息和通信的关键要素。但是，以下因素将极大地限制电池系统在可穿戴电子设备中的广泛应用。首先，刚性和笨重的电池系统使设备不适合皮肤界面使用。其次，大多数电池系统都采用有毒化学物质制成，这有碍于其在生物集成应用中的潜力，并可能带来环境风险。另外，有限的电池的使用寿命也妨碍了它们在广泛分布的设备系统中的应用。因此，迫切需要一种普及，环保和可持续的能源解决方案来为车载电子设备供电。

人体及其周围环境（包括生物力学运动，体热，体液和阳光）是可再生能源的丰富来源。例如，与体热和生物力学运动相关的可用能量分别高达4.8 W和67 W，体液甚至包含高达100 W的能量。除了人体可用的能量，其周围还充满了可再生能源，例如太阳辐照度，其能量密度很高高达100 mW/cm²。现代人体电子设备的能量要求在200μW-1W的范围内，这可以通过利用与人体相关的能量来完全满足。近年来，各种工作机制和可穿戴设备的设计如雨后春笋般涌现，以收集这些类型的能量，包括摩擦纳米发电机（TENGs），压电纳米发电机（PENGs），热电发电机（TEG），生物燃料电池（BFC），太阳能电池（SC）和混合发电机（HG）。但是，这些发电机在驱动人体电子设备方面存在某些缺陷。厚而笨重的结构设计使其不舒服，并有可能损害人体运动。此外，大多数报道的可穿戴式能量收集器均基于聚合物薄膜制成，聚合物薄膜的透气性差，并且难以承受频繁的机械变形。在不损害耐磨性的情况下保持发电仍然是人体能量采集器的挑战。

服装是所有人类社会的特征。类似于纺织品的材料的发现可以追溯到公元前34000年，甚至可能是史前时期。从那时起，纺织品就由各种各样的材料制成，从天然产品（如丝绸，羊毛和棉）到合成纤维化合物（例如，肽，聚酰胺和聚酯），其中许多是生物相容的，可生物降解的，甚至是可生物吸收的，这对于用作皮肤与电子设备之间的界面的纺织品是理想的特性。数千年来，纺织品一直伴随着人类文明的发展。随着化学和材料科学的进步，将纺织品与能量收集器集成在一起将为物联网时代的分布式人体电子设备提供可持续，环保，普及和可穿戴的能源解决方案。

有鉴于此，加州大学洛杉矶分校陈俊教授课题组全面、深入地综述了关于利用智能纺织品从人体及其周围环境中的可再生能源中获取能量的研究进展。

本文要点

1）他们首先简要介绍智能纺织品在能源危机、环境污染和公共卫生方面的重要性。然后根据智能纺织品收集生物机械能，人体热能，生化能，太阳能以及混合能源的能力，对智能纺织品进行了系统的综述。最后，对智能纺织品进行了批判性的分析，并对现存的挑战和未来的发展方向提出了自己的见解。

2）能量收集纺织品的兴起为通往下一代人体电子设备的能源解决方案开辟了一条新兴途径。目前，在能量转换效率，输出稳定性，坚固性，耐磨性，耐洗性，包装，美观，可伸缩和先进的制造，自修复以及智能纺织品的能源评估系统方面，研究人员还有待进一步研究。

总之，该工作有助于推动智能纺织品的前沿发展，有望在不久的将来通过物联网技术彻底改变我们的生活。