英文原题：UV-Protective, Self-Cleaning, and Antibacterial Nanofiber-Based Triboelectric Nanogenerators for Self-Powered Human Motion Monitoring

通讯作者：王中林，中科院北京纳米能源与系统研究所

作者：Yang Jiang; Kai Dong; Jie An; Fei Liang; Jia Yi; Xiao Peng; Chuan Ning; Cuiying Ye; Zhong Lin Wang

如今，功能性可穿戴电子产品随着包括物联网 (IoT)、云计算，大数据和人工智能 (AI)在内的现代产业和多学科领域的发展而迅速扩展。多功能可穿戴电子产品在个人健康管理、药物输送、运动检测和电子皮肤中得到广泛应用，从而丰富了我们的生活。在实际使用条件下，可穿戴设备面临一些问题，例如有机物污染、不能有效进行紫外线防护 (UV) 以及容易滋生细菌的问题。因此，开发一种具有紫外防护、自清洁、抗菌的皮肤基多功能传感器就变得尤为重要。

图1. 器件结构设计和工作机制

多功能TENG由三层构成：底电极为AgNW/TPU纳米纤维，中间层为PTFE(用于保护电极免受水腐蚀)和顶层—TiO2@PAN纳米纤维膜(用于吸收和保护紫外线)。特别是，将TiO2 NPs添加到了微纳米层级多孔PAN纳米纤维中，从而使TENG具有出色的抗紫外线性、自清洁性和抗菌性。顶层由PAN纳米纤维组成，它们在其表面上装饰有TiO2 NP。静电纺丝是将TiO2NP固定到纳米纤维中的高效生产方法，可以有效解决其分散性的问题，极大的提高了其紫外防护和降解的能力。研究人员通过混合TiO2 NP和PAN制备了纳米纤维膜。

图2. 紫外防护和抗菌活性的特征

通过在PAN纳米纤维上负载不同数量的TiO2 NPs，进一步研究了TiO2浓度对PAN纳米纤维紫外屏蔽性能的影响。采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析了PAN纳米纤维中不同浓度TiO2的特征基团。FTIR光谱中在2240 cm-1和1730 cm-1处出现了两个特征峰， -C≡N-的伸缩振动和C=O的振动。与纯PAN纳米纤维相比，TiO2+PAN纳米纤维(不同浓度的TiO2)的FTIR光谱在1000 cm-1以下表现出较强的吸收峰，说明Ti-O-Ti振动和TiO2的存在。吸收峰强度随TiO2浓度的增加而增强。同时比较了不同浓度TiO2的紫外透光率和紫外绝对光谱。通过UPF、TUVA和TUVB对不同TiO2浓度下的TENG的抗紫外线性能进行了系统评价。但是过量的TiO2 NPs会导致PAN纳米纤维膜的力学性能下降。因此，TiO2的适宜含量选择为10%。

当可穿戴设备附着在人体皮肤上时，人体分泌的汗液和皮肤皮层会使细菌滋生并引发皮肤病，这就需要抗菌性能。银元素和二氧化钛因其优异的广谱杀菌性能而成为一种很有前途的抗菌剂。为了找到最有效的抗菌复合纳米纤维，对四个不同成分的样品进行了革兰氏阳性(如金黄色葡萄球菌)细菌的测试。浸泡在细菌营养液中两天的TENG形态如图2g-i所示。结果表明，细菌在PAN表面生长良好，在Ag NWs/PAN纳米纤维和TiO2+PAN纳米纤维表面细菌细胞较少，而在TiO2/Ag NWs/PAN纳米纤维表面细菌细胞更少。这些结果表明Ag和TiO2都有抑制细菌生长的作用。TiO2和Ag NPs的偶联作用使其具有良好的抗菌性能。TiO2中快速释放的Ag+离子和自由基可以有效杀死种植体表面附近的浮游细菌，最终抑制细菌生长。

图3. 工作机制和输出性能

为了研究TENG的电输出性能，使用了线性马达提供周期性的接触和分离运动。选择接触面积为2 × 2 cm2。比较了不同频率下(2 ~ 5Hz)的输出性能，其中VOC和QSC没有明显变化，但在图3e中ISC明显增加。为了评估TENG的有效输出性能，我们研究了其在不同阻力下的输出。TENG的最大输出电流随外电阻的增加而减小。TENG的峰值功率密度为48.6 mW m−2。

图4. 自清洁和电力输出恢复性能

可穿戴电子产品在日常使用中容易受到有机污染物的影响，从而降低其原有的性能，缩短其使用寿命。二氧化钛纳米颗粒因其半导体性质而被设计用来降解有机污染物。污染物脱色过程如图4a所示，MB染料的颜色慢慢消失。为了定量评价降解过程，测定了MB染料的紫外吸收光谱。如图4b所示，MB分子的吸收强度在554 nm处，且随着曝光时间的延长而减小，说明MB分子在TiO2+PAN纳米纤维上降解。在太阳照射25 min后，峰值几乎消失，反映出MB分子完全降解。  在退化过程中，还对TENG的电输出稳定性进行了评估。TENG的VOC、QSC和ISC在受到有机污染物污染后有所下降。具体来说，VOC和QSC降低到原始值的60%。而对于添加TiO2的样品，VOC增加到90%。 

图5. 作为自供电计步器的应用

该TENG可作为人体运动监测器，为人体在危险状态下的运动提供帮助和保障。基于高灵敏度和卓越的稳定性，我们的TENG传感器能够检测不同的人体运动。例如，附着在右膝盖上的TENG传感器，会产生电信号来监测不同的步态。在行走过程中，相应的姿势会驱动一系列电流信号，我们的传感器可以检测和区分人类的不同动作，包括走、跑、蹲、跳、慢走、快走、跑，以及上下楼梯的不同台阶等。

为实现实时监测，该系统进一步集成了一个信号处理电路，开发了一个自供电的计步器，以实时监测人体运动，并保存健康数据供进一步分析。不同运动频率下的电信号与步行步态高度匹配。将所设计的程序计算出的步行步数和速度显示在计算机界面上，用于运动监测和健康管理。自供电计步器具有防紫外线、自清洁、抗菌、高敏感等特性，在人机界面、运动监测、安全系统等方面具有潜在的应用前景。

相关论文发表在ACS Applied Materials & Interfaces上，中科院姜阳、董凯为文章的第一作者，王中林教授为通讯作者。