High Power-Output and Highly Stretchable Protein-Based Triboelectric Nanogenerator

摩擦电效应 延伸率 材料科学 纳米发生器 兴奋剂 内阻 电压 复合材料 纳米技术 光电子学 化学工程 电气工程 功率(物理) 极限抗拉强度 工程类 物理 压电 量子力学 电池(电)
作者
Xiangkun Bo,Kindness A. Uyanga,Lingyun Wang,Irum Firdous,Jihong Shi,Weilu Li,Jasim M. Almardi,Fei Liu,Huanlin Lv,Walid A. Daoud
出处
期刊:Social Science Research Network [Social Science Electronic Publishing]
标识
DOI:10.2139/ssrn.4103214
摘要

To meet the demand for wearable triboelectric nanogenerator (TENG) with high power output and a diverse application range, stretchable friction materials with high triboelectric charge densities are required. Soy protein (SP) is a prospective friction material; however, its application is limited by its brittle nature. Herein, we report the doping of an SP film with the hygroscopic CaCl 2 to afford a positive tribolayer with improved tribopositivity and stretchability. Ca 2+ disperses evenly in the SP film via electrostatic interactions. The water molecules adsorbed by CaCl 2 form hydrogen bonds with the SP chains, which improve the charge-donating ability. The optimal film, SP–CaCl 2 -0.30 (0.30 denotes the CaCl 2 -doping concentration in mmol), exhibits high resilience (elongation at break: 130%) compared with the pure SP film (elongation at break: 4%). The TENG composed of SP–CaCl 2 -0.30 as the positive tribolayer and Ecoflex as the counterpart yields an open circuit voltage (V OC ), a short circuit current (I SC ), and a short-circuit transferred charge quantity (Q SC ) of 130 V, 4.4 µA, and 44 nC, respectively. When the load resistance matches the device’s internal resistance, the peak transient power reaches 1125 mW/m 2 , which is up to 535.7 folds higher than those of reported protein-based TENGs. Moreover, the device output is maintained even after 5000 stretch and release cycles, and the amounts of harvested charge from the bending and release motions of a finger and an elbow reach 3.5 nC and 40 nC, respectively. This study demonstrates a practical approach for achieving protein-based TENGs with high stretchability and electrical output, which show significant potential for application in wearable electronics based on mechanical-energy harvesting.

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