Nanogenerador triboeléctrico a base de papel de almidón para la detección de la transpiración humana

Resultados y discusión

El mecanismo de trabajo del S-TENG se muestra esquemáticamente en la Fig. 2c. El dispositivo propuesto se basa en el efecto de acoplamiento entre la mano humana y el papel de almidón. Cuando hay contacto físico entre la mano y el papel, el papel adquiere cargas negativas en su superficie, mientras que la mano adquiere cargas positivas. Además, una vez que se libera la mano, el área de superposición entre la mano y el papel cargado disminuye y las cargas del papel ya no están completamente equilibradas por las de la mano. Las cargas negativas inestables en la superficie del almidón fuerzan un flujo de electrones al suelo desde el electrodo posterior del papel. No obstante, cuando la mano se acerca al papel nuevamente, las cargas positivas inducidas en el electrodo posterior se volverán inestables y forzarán el flujo de electrones hacia el suelo.

un Se empieza a formar una película de agua alrededor del lado del electrodo del papel de almidón, b se forma una red de agua, c el mecanismo de trabajo del S-TENG

Los resultados indican que el estado de trabajo del S-TENG se puede separar en dos patrones de trabajo, según la cantidad de vapor de agua absorbida por el papel de almidón. Se ilustra el concepto de transferencia de carga, utilizando el estado que se muestra en la Fig. 2cII como ejemplo. Como se muestra en la figura 2a, en el patrón de trabajo 1, se forma inicialmente una película de agua alrededor del lado del electrodo del papel. Sin embargo, las cargas todavía están atrapadas en parte en la película de agua irregular, formando una barrera potencial que dificulta el movimiento de los transportistas. Sin embargo, en el patrón de trabajo 2, se crea una red de agua (Fig. 2b) y la resistencia electrónica del lado del electrodo que comprende el papel de almidón se reduce en gran medida.

En la figura 3a se muestra una fotografía del S-TENG fabricado. Se empleó una resistencia adaptable como carga exterior y, para diferentes tiempos de pulverización del vapor de agua, se utilizó un osciloscopio para medir las señales electrónicas de la resistencia. La Figura 3b muestra el rendimiento electrónico del S-TENG después de la primera pulverización. Como se muestra en la figura, el aumento en la resistencia de carga (de 100 a 100 MΩ) produce un aumento constante en el voltaje de salida recolectado. Sin embargo, la potencia de salida máxima se alcanza con una resistencia de carga de 15 MΩ y, por lo tanto, la resistencia interna del TENG fabricado es ~ 15 MΩ. La tensión de salida (es decir, 11,2 V) bajo una resistencia de carga de 100 MΩ se aproxima como la tensión de circuito abierto, ya que la resistencia de carga es considerablemente mayor que el valor aproximado de la resistencia interna. A continuación, se determinó la estabilidad operativa del papel fabricado TENG. Como muestra la Fig. 4, el voltaje de salida (resistencia de carga:100 MΩ) del dispositivo fabricado disminuye solo ligeramente durante una prueba de fuerza vertical.

un Fotografía y b salida electrónica del S-TENG fabricado

Prueba de fuerza vertical de S-TENG fabricado. El voltaje de salida disminuye solo ligeramente bajo una resistencia de carga de 100 MΩ

El papel de almidón exhibió resistencias de hoja de 19 MΩ, 6,1 MΩ, 1,5 MΩ, 140 KΩ y 130 KΩ antes de la pulverización de agua y después de la 1ª, 3ª, 5ª y 7ª pulverización, respectivamente. Se comparan las actividades electrónicas correspondientes del S-TENG, como se muestra en la Fig. 5. El voltaje de salida (sujeto a una carga conforme de 100 MΩ) aumenta con el aumento de los tiempos de pulverización 0-3 (patrón de trabajo 1) y se satura en la pulverización veces por encima de la 3ª pulverización (patrón de trabajo 2). La detección de líquidos a base de agua, por ejemplo, la transpiración humana, está asegurada debido a la correlación entre el voltaje electrónico y la cantidad de vapor de agua. Esta correlación se puede caracterizar mediante cambios en la resistencia interna del S-TENG. La reducción de la resistencia interna del S-TENG se promueve mediante el uso de vapor de agua, ya que la introducción de agua reduce la capacidad de resistencia electrónica del papel de almidón. Esta disminución se debe a la formación de vías conductoras de agua en la superficie y dentro del papel. Además, este impacto se vuelve particularmente evidente cuando comienza a formarse una película de agua alrededor del lado del electrodo del papel (patrón de trabajo 1). Además, la salida electrónica que se produce antes de la pulverización de agua proviene principalmente del agua unida a las células de los granos (lo que da como resultado una conducción electrónica débil para los portadores).

Dependencia del voltaje de salida en el número de pasos de rociado de agua

El S-TENG propuesto se ha utilizado para detectar la transpiración humana. Como se muestra en la Fig. 6a, el S-TENG se conecta al codo humano después de diferentes duraciones de movimiento corporal. Posteriormente, la capa expuesta de la piel humana se limpia con una toalla seca y se produce el movimiento del codo (Fig. 6; la salida electrónica recogida se muestra en la Fig. 6c). La tendencia observada es similar a la que se muestra en la Fig.5, es decir, desde el punto de vista de la correlación entre la salida electrónica (carga conforme:100 MΩ) y la duración del movimiento humano. Los resultados indican que el S-TENG propuesto se puede emplear para detectar la transpiración humana y monitorear el tiempo de movimiento humano.

El a , b patrón de trabajo para recolectar la energía del movimiento del codo humano, c salida electrónica (sujeta a una carga correspondiente de 100 MΩ) versus tiempo de movimiento humano

Los atributos de desechabilidad del papel de almidón se determinaron evaluando la actividad de disolución, como se muestra en la Fig. 7. Durante esta determinación, el papel se sumergió en agua del grifo bajo una suave vibración por mano humana, como se muestra en la Fig. 7a, durante varias duraciones. (ver Fig. 7b-e). El papel de almidón se rompió por completo en 4 minutos, lo que indica que el S-TENG propuesto puede ser completamente degradable.

un Ensayos de degradabilidad realizados sumergiendo papel de almidón en agua, b inmediatamente y después de b 1, c 2, d 3 y e 4 minutos

Conclusión

En este trabajo, se presenta una metodología nueva y simple para fabricar dispositivos TENG desechables que emplean papeles de almidón biodegradables y ecológicos. El proceso rápido y simple para construir el S-TENG utiliza materiales rentables y comercialmente accesibles. La estructura del almidón se puede descomponer en polvo en agua en 4 minutos. El TENG propuesto tiene un potencial considerable en el campo de la electrónica portátil.

Abreviaturas

TENG:

Nanogenerador triboeléctrico

Fabricación controlable de sondas AFM recubiertas de Au mediante un procedimiento de química húmeda Síntesis y caracterización de zeolitas jerárquicas ZSM-5 con mesoporosidad excepcional y excelentes propiedades catalíticas