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ACS Nano┃摩擦纳米发电机助力智能农业系统
2021/4/9 13:33:11 易丝帮

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全球人口的增长不断给粮食生产带来压力,作为粮食的主要资源,植物在农业生产中起着至关重要的作用。因此,对植物健康状况进行准确和及时的监测至关重要。随着新型传感技术的发展,对植物健康状况的监测变得更加自动化。然而,随着农业物联网的发展,对植物生理信息检测的传感装置在应用时往往受到有限续航能力的限制而需要铺设电网或定期更换电源,传感器的能源供应已成为制约智能农业发展的重大瓶颈之一。因此,实现感知器件不间断、无电池化、高精度工作,成为了农业感知器件领域研究的一个重要方向。

为了解决上述问题,浙江大学应义斌教授团队和新加坡南洋理工大学Pooi See Lee教授团队合作设计了一个基于透气疏水式摩擦纳米发电机的自供电型智能农业系统。该摩擦纳米发电机由复合薄膜和碳纳米管电极构成(图1)。通过静电纺丝PVDF-HFP和电喷F-CNT联用技术,可以得到具有纳米纤维和微米球复合结构的薄膜,这种独特的结构使得薄膜具有优良的透气性和疏水性。

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图1. 透气疏水式摩擦纳米发电机的制备及形貌表征

在电喷过程中,一维的F-CNT形成了独特的微米球结构,该结构可影响薄膜的性能。为此,对不同含量F-CNT的复合薄膜的性能进行了测试,包括疏水性和透气性(图2)。当复合薄膜中F-CNT的含量增加时,其与水的接触角也增大。该结果表明,F-CNT的加入可以提高复合薄膜的疏水性,且F-CNT的含量越高,复合薄膜的疏水性越强。此外,当F-CNT微米球的含量增加时,复合薄膜的透气性无明显变化,说明微米球不会堵住纳米纤维构成的网络孔径,对复合膜的透气性无显著影响。

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图2. 复合薄膜的透气疏水性能表征

为了进一步分析复合薄膜中F-CNT的含量对摩擦纳米发电机输出性能的影响,本实验中制备了一系列F-CNT质量分数的复合薄膜,并将其制作成器件,测试器件的输出电压和输出电流密度(图3)。由图可知,当F-CNT的含量为12 wt%时,摩擦纳米发电机的输出性能达到最大值。为了进一步分析F-CNT在复合薄膜中的作用及其提高器件输出性能的原因,实验中对不同F-CNT含量的复合薄膜的表面电势以及表面粗糙度进行了测试。结果表明F-CNT可以提高复合薄膜的表面粗糙度和表面电势,从提高摩擦纳米发电机的性能输出。

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图3. 不同F-CNT含量的复合薄膜制备得到的摩擦纳米发电机的输出性能

基于该透气疏水式摩擦纳米发电机优良的输出性能,进一步探究了其用于构建智能自供电农业系统的可行性(图4)。从图中可以看出,商用植物传感器插在植物的土壤中,传感器可通过蓝牙将检测到的信号实时传送到手机,手机界面的植物参数也相应更新。该植物传感器除了可以检测土壤湿度外,也可以检测土壤肥力、温度和光照。此外,透气疏水薄膜与植物之间具有良好的生物相容性。以上结果表明,本实验中构建的自供电感知系统,可用于植物土壤湿度的实时监测,在农业领域具有良好的应用前景。

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图4. 摩擦纳米发电机用于构建智能农业系统及其生物相容性测试

综上所述,本文利用纳米纤维-微米球复合结构的薄膜,得到了轻薄、透气、疏水的摩擦纳米发电机,其可牢固粘附与植物叶片表面且不影响植物本身的生理活动如呼吸作用等。该器件可以将农业环境中风能和雨滴等转换为电能,实现土壤湿度传感器的自供电,为建立可持续的农业自供电感知系统提供了思路和基础。


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