High-Performance Mechano-Sensitive Piezoelectric Nanogenerator from Post-Treated Nylon-11,11 Textiles for Energy Harvesting and Human Motion Monitoring

材料科学 纳米发生器 能量收集 压电 人体运动 能量(信号处理) 机械能 纳米技术 运动(物理) 声学 复合材料 功率(物理) 物理 人工智能 统计 量子力学 计算机科学 数学
作者
Zhixiao Wang,Yubo Duan,Chongyang Liu,Lihua Wang,Zhaoyang Zhang,Wei Zhao,Xiaomeng Zhang,Yuancheng Zhang,Peng Fu,Hong‐Ling Cai,Zhe Cui,Xinchang Pang,Zhili Dong,Minying Liu
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsami.4c19568
摘要

Piezoelectric polymer textiles offer distinct advantages in the fabrication of wearable nanogenerators (NGs). One effective strategy to enhance the output capacity of NGs is to modulate the piezoelectric performance of the textiles. This paper focuses on further improving the piezoelectric properties of nylon-11,11 textiles through post-drawing and annealing treatments. We elucidate the evolution of morphology and the ferroelectric phase in the submicron/nanoscale fibers during post processing as well as the corresponding changes in performance. The drawing process primarily enhances the orientation of the crystalline phase and reduces the fiber diameter, while the annealing process more effectively promotes the crystal size and crystallinity. Afterward, we propose an optimal postdrawing and annealing assisted-electrostatic spinning process. Under the synergistic effects of these post-treatments, the remanent polarization (Pr) of nylon-11,11 textile increased to 4.7 times that of the untreated textile, resulting in amplified piezoelectric outputs. The output voltage, current, and power density of the prepared PENG reached 21.5 V, 800 nA, and 1.88 mW·m-2 (80 MΩ), respectively. Notably, at pressures exceeding 8 kPa, the mechano-voltage and current sensitivity reached as high as 266 mV/kPa and 13.99 nA/kPa, respectively, which is extraordinary compared to other piezoelectric NGs and comparable to the performance of nylon-based triboelectric NGs. Furthermore, we investigated the potential application of the prepared PENG in biomechanical energy harvesting and human movement monitoring. Experiments demonstrated its effectiveness in powering light bulbs, tracking walking status, and monitoring finger/hand/wrist gestures.
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