我校轻工科学与工程学院在印刷电子领域研究取得新进展

近日，天津科技大学轻工科学与工程学院功能印刷材料团队教师高萌、张正健及其合作者，针对3D打印非接触传感器领域所面临的问题和挑战进行了研究，相关研究成果以题为“3D Printing Deep-trap Hierarchical Architecture-based Non-contact Sensor for Multi-direction Motion Monitoring”发表在能源领域顶级学术期刊《Nano Energy》上。该论文第一作者为我院硕士研究生王斌斌，高萌和张正健教师为共同通讯作者，天津科技大学为第一单位和通讯作者单位。

图1. 非接触式传感器的设计、材料和制造策略。(a) PNC-TENG制备策略示意图；(b) 3D打印的TENG适用于多维非接触式运动监测。

在非接触式传感器中，电输出性能的改善和探测范围的精确性有着重要的作用。作者采用简便和高效直接书写式3D打印技术，辅以冷冻干燥后处理，制备了纤维素基高电荷捕获多级结构用于非接触摩擦纳米发电机 (PNC-TENG)，实现了其在多方向非接触式运动监测中的应用。三维打印支架结构及CNF/MXene气凝胶结构共同构建了高摩擦面积的多级开放孔，有利于摩擦电荷的产生和器件的电学性能。同时，具有高电子捕获能力的MXene纳米片的引入导致电子逃逸倾向减弱，衰减时间增加，从而提高了器件的非接触电压输出。基于该非接触式传感器的全打印传感阵列和3D传感器可用来跟踪特定位置和移动方向，从而识别多站点和多维运动轨迹，表明其在医疗保健、安全导航和人工智能方面的巨大潜力。

图 2. 油墨制备和3D打印结构。(a) 显示油墨制备过程和每种成分的分子间相互作用的示意图; (b) CNF、MXene和CNF-MXene的XPS图； (c) 油墨的表观粘度与剪切速率的关系。(d) 储能模量 (G′) 和损耗模量 (G′′) 作为剪切应力的函数；(e) CNF-MXene-MC墨水从3D打印机喷嘴挤出后形成的长丝的数字图像；(f) 打印的基于CNF / MXene的分层骨架的照片(i)，相应的顶视图SEM图(ii)和放大的横截面SEM图像(iii)。

图3. PNC-TENG的电输出性能。(a) PNC-TENG的非接触式分离距离响应特性；(b) 两个区域不同间隔距离处电压输出的拟合数据；(c) PNC-TENG在1厘米间隔距离处测量的MXene含量变化时的开路电压；(d) MXene含量对PNC-TENG在不同间隔距离下测量的电压输出的影响；(e) 基于CNF的TENG的电荷捕获机理和基于CNF/MXene的TENG的电荷捕获机理显示了静电感应过程中的电荷移动趋势；(f) 不同MXene含量的PNC-TENG的电荷密度随时间的变化；(g) 归一化电荷密度；(h) 电压输出对印刷层数的依赖性；(i) PNC-TENG的稳定性。

图 4. PNC-TENG在多位点和多方向运动监测中的应用。(a) PNC-TENG传感阵列的示意图；(b) 当人的手指沿着印刷传感阵列上方的数字“1”的轨迹移动时的多通道电压响应；(i) 2D峰值电压映射图，(ii) 3D峰值电压图， (iii) 每个检测像素的相应电压输出波形。 (c) 不同手指运动的 2D 峰值电压映射；(d) 基于PNC-TENG的三维传感器的设计图；(e) 3D传感器的照片；(f) 人类手指沿不同路径围绕 3D 传感器移动时每个检测平面的电压输出波形。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.108135

编辑：张铄今 陈春羽