背景介绍
通过开发复合柔性能量收集装置以同时收集多种类型的能量，或通过单一触发产生更多的电能可以有效利用环境中丰富、间歇性和随机分布的能量，是实现独立供电的表皮/可穿戴电子设备的重要解决方案。多效耦合材料（典型代表为聚偏氟乙烯，PVDF）因其能够确保稳定的电输出，而不受复杂结构和庞大体积的影响，现已被广泛用于构建摩擦电纳米发电机(TENG)和压电纳米发电机 (PENG) 的复合器件（TPENG），然而其电子捕获能力有限和表面电荷不足，阻碍了摩擦/压电效应的进一步提升。
拓扑绝缘体(TI)是具有新兴电子相的材料，具有无带隙的表面态和有带隙的体相，其高密度表面电荷可以通过增强库仑力提高 PVDF 的β相晶体度。TI 还具有大比表面积、丰富的表面态以及独特的拓扑表面导电性，使其成为理想的摩擦电电荷受体。此外，周围电子设备在运行过程中产生的电磁波可以用于创建交变电场，从而极化相邻的电介质，用于电磁发电（EMNG）。电磁干扰产生的电能相对较少，但输出频率较高，而机械能的输出功率较大，但输出频率较低。因此，这两种模式可以互为补充，将 TPENG 和 EMNG 结合成混合动力装置在皮肤上/可穿戴自供电系统中具有很大潜力。
进展总结
基于以上背景，本文报道了一种高效、透气且可拉伸的单体混合摩擦-压电-电磁纳米发电机（TPENG）电子皮肤（TPEG-skin），采用了一种相当简便且可扩展的设计，即通过两层多孔拓扑绝缘体-压电聚合物复合纳米纤维夹在液态金属网络之间。这是第一个将摩擦电、压电和电磁三种能量收集技术结合在一起的纳米发电机和电子皮肤，能够同时收集来自人体运动的生物机械能量和来自环境设备的电磁能量。这也是首次通过拓扑绝缘体显著增强摩擦电和压电效应，实现了最高效的混合摩擦电和压电电输出（288 V，0.73 µA cm−2），其电压输出比目前报道的类似器件高出约3倍。该器件同时具备最高的透气性（1 kg m−2 day−1）、拉伸性（>500%应变）和运行稳定性（1000次拉伸测试）。本研究在表皮/可穿戴能量收集领域取得了显著进展，制备了高效、透气、可拉伸的复合能量收集器件。
该研究以“Efficient Permeable Monolithic Hybrid Tribo-Piezo-Electromagnetic Nanogenerator Based on Topological-Insulator-Composite”为题发表在Advanced Materials。苏州大学威尼斯人 为论文第一单位，学院刘瑞远教授、台湾中兴大学Ying-Chih Lai、台湾联合大学Fang-Chi Hsu、台湾明阳交通大学Chih-Yen Chen为论文共同通讯作者。
图1：TPEG-skin的结构设计与成分表征。a.典型透气和可拉伸TPEG-skin的制造流程示意图，以及其在复合电磁和生物机械能量收集与自供电生理感应中的应用场景。b-e.材料的形貌表征。f.等离体子处理前后的接触角。g-h. TPEG-skin与人体紧密贴合的照片
图2：TPEG-skin在收集生物机械能和电磁能时的性能表现。a.TPEG-skin贴在笔记本电脑上的照片，通过手触收集生物机械能，并从正在操作的笔记本电脑中收集电磁能。b.输出电压和c.通过收集混合能量源输出的电流。d.TPEG-skin将混合的生物机械能和电磁能转化为交流电的示意图。e.TPEG-skin在不同电容容量下的充电性能。f.单独的TPENG、EMNG和混合TPEG-skin对4.7微法电容的充电性能比较。g.展示从手触和笔记本电脑中收集能量为电子手表供电，以及h.实时充放电曲线。i.展示从手触和笔记本电脑中收集能量驱动温湿度计的过程，以及j.实时充放电曲线。（a、g和i中的样品尺寸均为5 × 5 cm²）。
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//doi.org/10.1002/adma.202408936