近期，南通大学徐思峻副教授、葛建龙教授团队合作在Advanced Fiber Materials上发表了题为“Fire/Acid/Alkali‑Resistant Aramid/Carbon Nanofiber Triboelectric Nanogenerator for Self‑Powered Biomotion and Risk Perception in Fire and Chemical Environments”的研究成果，采用静电纺丝法制备了具有超高比表面积、良好的耐火耐化学性且不含银、铜等重金属的聚（间苯基间苯二甲酰胺）纤维（PMIA NFs）和碳纳米纤维（CNFs）非织造布，然后通过层间粘合工艺制备了纳米芳纶/碳纤维复合摩擦发电机（PMIA/CNF-TENG），该TENG由摩擦电层PMIA NFs和导电层CNFs组成（图1），具有柔韧性、防水透湿性、阻燃性和耐酸碱性，以及自供电、手写信号转换、实时生物传感、远程感知高风险环境中的温度和酸碱度等功能。
制备的摩擦发电机可经历3000余次弯曲不出现褶皱，柔软度达133.1 mN，优于纸张，透湿量≥3,547 g/(m2 • 24 h)，满足国标GB/T21980-2017《专业运动服装和防护用品通用技术规范》，耐静水压超过16,758 Pa （图1）。
图1 （a）PMIA/CNF-TENG的制造工艺以及（b）柔软度测试、（c）弯曲性能、（d）透湿性能和（e）耐静水压测试结果
PMIA/CNF-TENG的发电性能与接触压力和接触频率直接相关，开路电压（VOC）、短路电流（ISC）和转移电荷（QSC）与接触压力呈正相关（图2a-f）。在外接电阻为100 MΩ时，最大峰值功率密度为12 mW/m2，VOC为21.6 V（图2g）。此外，经过3,000次接触分离后，PMIA/CNF-TENG的VOC无变化，表现出较高的工作稳定性和耐久性（图2i）。
图2 PMIA/CNF-TENG的摩擦电输出性能
PMIA/CNF-TENG结合整流器和电容器可构建连续电源系统，用于常温环境生物机械能量收集（图3a-c），收集的能源可为便携式电子设备供能，如温湿度计、计算机和Led灯等（图3d-i）。
图3 PMIA/CNF-TENG（4.5 cm×4.5 cm）用于能量收集器（a-c）及为低功耗设备供能（d-i）
PMIA/CNF-TENG具有优异的热稳定性和阻燃性，能够在高温火场和强酸碱等恶劣环境下收集人体机械能并驱动低功耗电子设备。垂直燃烧、TG和锥形量热仪测试结果表明，PMIA/CNF-TENG经过反复高温灼烧仅出现轻微卷曲，阻燃性能远超传统阻燃棉织物发电机，等级达到最高V-0级，在明火环境中具备传感稳定性及安全性（图4a-f）。
图4 PMIA/CNF-TENG的阻燃性能：（a）垂直燃烧法实验，（b）TG测试结果，（c-f）锥形量热仪测试结果
得益于优异的耐高温性能，PMIA/CNF-TENG可用于检测高温环境下人体的生物运动，可在火灾环境中传感（图5a-g）。将PMIA/CNF-TENG集成于腋下、手掌或肘部，当运动环境从室温切换到火灾模拟环境时，该TENG感应电压迅速上升，肘部弯曲VOC信号较常温时提升了136.7%，手写输入信号较常温时提升了900%，该信号变化可用于监控高温作业人员所处的环境。
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图5 PMIA/CNF-TENG（3.5 cm × 3.0cm）应用于高温火灾环境下的生物能量采集和危险环境传感：（a，d）腋下接触，（b，e）拍手，（c，f）肘部运动，（g）手写SOS所产生的Voc信号
PMIA/CNF-TENG同时具有出色的耐酸碱性，可用于强酸、碱环境下的生物运动检测和危险感知（图6）。PMIA/CNF-TENG对NaOH、HNO3和H2SO4的拒液效率均超过95%，达到了GB 24539-2021防化服标准最高水平（图6f）。此外，TENG经酸碱液浸渍后，形态结构和颜色未发生明显变化，经11次浸渍后VOC仍能保持69%以上，表明具有极强的耐酸碱性能（图6c-e）。固-液接触试验结果表明，与不同液体接触的VOC强度遵循如下规律：NaOH＞硫酸＞硝酸＞水，可用于识别酸碱（图6b和6g）。
图6 PMIA/CNF-TENG 应用于强酸强碱环境下的生物能量收集和危险感知：（a）在80%硫酸溶液和40%氢氧化钠溶液浸渍30 min后的颜色变化，（b）手指接触不同溶液所产生的Voc信号，（c-e）在强酸碱溶液中浸渍后的输出性能，（f）不同溶液的拒液效率，（g）通过触压设备在理想情况下将PMIA/CNF-TENG接触不同溶液表面所产生的Voc信号
此外，PMIA/CNF-TENG可与便携式无线数据采集卡集成，构建远程人体运动与危险感知系统，用于远程信息交流、人体运动状态与危险感知（图7a-d）。
图7 （a,b）PMIA/CNF-TENG与无线数据采集卡集成用于远程监控，（c）接触TENG1和TENG2用于远程通讯，（d）面料与酸碱接触能够远程发送Voc信号用于危险警示
课题组简介
徐思峻副教授，硕士生导师，南通大学纺织服装学院，从事纳米智能纺织品研究。2010年至今先后在Materials & Design、Acta Biomaterialia等国际期刊发表论文20余篇，其中第一/通讯作者SCI论文10余篇，获国家授权专利10余项，主持并承担了国家自然科学基金，中国博士后基金，江苏省博士后基金，浙江省科技特派员项目等；参与国家重点研发计划课题等国家、省部级项目十余项；应用成果先后获得江苏省科技进步三等奖，中国纺织工业联合会技术发明二等奖等，并取得了良好的经济效益。
葛建龙教授，硕士生导师，南通大学纺织服装学院。主要从事功能性纳米纤维材料的制备及其在环境、能源领域的应用研究，包括纳米纤维油/水分离膜、碳基柔性电极材料、防化服装面料等。现主持国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、江苏省高校面上项目各1项；迄今为止，在Nature Communications, Advanced Functional Materials, Journal of Materials Chemistry A, ACS Applied Materials & Interfaces等发表SCI论文10余篇，其中第一作者/通讯作者论文9篇，ESI高被引论文4篇；申请中国发明专利10余项；参编英文书籍章节3部；获得中国纺织工程学会第15届和第17届陈维稷优秀论文奖；目前为中国纺织工程学会会员，担任Chemical Engineering Journal, Carbon, Engineering等期刊审稿人。
