采用掺铝氧化锌（Al-doped ZnO）对纺织品进行功能化处理：实现摩擦电纳米发电机、紫外线防护、自清洁及抗菌等功能的多重集成

《Current Applied Physics》：Textile functionalization with Al-doped ZnO: Integrating triboelectric nanogenerator, UV protection, self-cleaning, and antimicrobial features

ZnO涂层纺织品及其Al掺杂改性的摩擦电纳米发电机制备与多功能性研究，采用射频磁控溅射在导电柔性织物上沉积纯ZnO和2%Al掺杂ZnO薄膜，结合PVDF纳米纤维构建TENG。实验证实Al掺杂ZnO在摩擦电性能、自清洁（MB染料降解率提升）、抗菌（抑菌率>90%）和紫外防护（UPF值达50+）方面均显著优于纯ZnO，为可穿戴电子提供了兼具能量收集与多功能防护的创新解决方案。

　　

P. Hajara | M.R. Shijeesh | C.C. Mohan | K.J. Saji

国际光子学学院，科钦科技大学，印度科钦，22

摘要

纺织品的功能化赋予了它们超出基本属性的额外特性，旨在提升满足各种应用特定需求的质量。本研究探讨了在导电和柔性纺织品上沉积纯ZnO及掺铝ZnO薄膜，以研究其自清洁、抗菌、紫外线防护和摩擦电等性能。采用射频磁控溅射技术在纺织品上沉积纯ZnO和掺铝ZnO。通过将涂层纺织品与聚偏二氟乙烯（PVDF）纳米纤维结合，制备了摩擦电纳米发电机（TENG）。通过琼脂和肉汤扩散法评估了样品对革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌的抗菌活性。使用亚甲蓝染料检测了光催化自清洁过程。结果表明，ZnO涂层纺织品在摩擦电、自清洁、紫外线防护和抗菌方面表现出优异性能。此外，发现掺铝可以进一步增强这些性能。

引言

功能性涂层旨在改善纺织基材的性能和功能，并提出新的纺织应用[1,2]。ZnO因其独特的物理和化学特性、环境友好性、生物相容性以及低成本而成为纺织品功能化的理想材料[2,3]。ZnO颗粒因其出色的光响应性、化学和热稳定性以及宽谱紫外线吸收能力，被公认为最有效的光催化自清洁、抗菌和紫外线防护剂[4]。基于纺织材料的摩擦电纳米发电机（T-TENG）将摩擦电纳米发电机技术与传统纺织技术相结合，为开发下一代可穿戴电子设备提供了广阔前景[5,6]。利用人体自然活动（如行走、跑步以及肘部和膝盖弯曲）可以收集大量能量[7,8]。多种电子元件已成功集成到织物中，包括基于纺织的电路、发光二极管、传感器以及储能装置[9,10]。将有效收集人体运动的能量的ZnO基T-TENG与具有自清洁、抗菌和紫外线防护特性的纺织品结合，将进一步提升可穿戴电子产品的多功能性和实用性。

如果ZnO颗粒位于纺织纤维表面，当其与生物污渍接触时，ZnO能够光降解这些污渍[4]。这种无需洗涤即可清洁纺织表面的现象称为光催化自清洁。ZnO中光生空穴具有足够的氧化能力来降解大多数有机化合物。ZnO在室温下的直接带隙约为3.3 eV，属于电磁波谱的紫外线区域。这一宽带隙使其能够有效吸收紫外线的同时保持对可见光的透明性。ZnO的强紫外线吸收能力源于其电子结构，从而在紫外线区域形成尖锐的吸收边缘，使其适用于紫外线光电探测器、防晒霜和阻隔涂层等应用[11,12]。ZnO在紫外线辐射下具有优异的化学稳定性，能有效阻挡UV-A和UV-B辐射[13]。紫外线防护机制包括紫外线吸收以及紫外线的折射和/或散射，从而限制紫外线透过纺织品到达皮肤。ZnO在中性pH值下仍具有抗菌活性，对人体安全无毒[14]。溶液的pH值、ZnO颗粒的表面积与体积比以及纺织纤维的化学和形态特性都会直接影响ZnO颗粒的抗菌活性[1,15,16]。摩擦电能量收集技术利用两种不同材料表面接触时的摩擦电和静电感应过程产生电能。TENG涉及两种电子亲和力不同的材料以及形成外部电流回路的电极。根据具体应用需求，采用了多种策略来构建摩擦电纳米发电机。与其他技术相比，基于纺织的摩擦电纳米发电机（T-TENG）因其出色的灵活性、高可持续性、轻量化以及广泛的应用范围（包括生物医学设备、机器人传感皮肤和可穿戴电子设备）而受到更多关注[8,17]。

氧化锌已被用于多种纺织功能化应用。大多数关于ZnO自清洁能力的研究集中在棉质、聚酯纤维及其混纺材料上[18]。为了展示不同光照时间和湿度条件下的自清洁效果，研究中使用了咖啡、茶以及亚甲蓝（MB）和罗丹明B作为污渍[18,19]。ZnO颗粒还被应用于纤维素和多种合成纤维，以生产抗菌织物，例如聚酯与纤维素、聚丙烯、聚酰胺和聚氨酯的混纺材料[20,21]。大多数关于ZnO光催化活性、抗菌效果和紫外线防护的研究使用的是粉末状材料，且分离颗粒的过程较为繁琐。相比之下，ZnO薄膜更具优势，因为无需进一步分离颗粒。ZnO薄膜在均匀性和耐用性方面优于纳米颗粒涂层，同时具有更好的粘附性和耐洗性，简化了颗粒处理步骤，并能精确控制功能特性。这些优点使得ZnO薄膜成为开发耐用且可扩展的智能纺织品的更实用且有效的解决方案。在可穿戴摩擦电纳米发电机（TENG）在纺织品、纱线和纤维形式中的应用方面已取得显著进展[22,23]。然而，目前关于ZnO在纺织TENG应用中的信息仍然较少。已有研究利用化学制备的氧化锌（ZnO）纳米棒在纺织平台上制备单电极模式摩擦电纳米发电机（STENG），探讨其在汗液检测中的潜在用途[24]。

通过金属掺杂ZnO可以改善其性能[25]。铝（Al）是一种优良的杂质掺杂剂，因为它丰富、成本低且无毒。掺铝ZnO（AZO）的多功能性使其适用于从电子和光电子学到环境和能源相关领域的广泛应用[26]。本研究表明，未掺杂和掺铝ZnO薄膜组成的多功能T-TENG能够高效收集生物机械能，并提供自清洁、抗菌和紫外线防护功能。这种能量收集与关键防护功能的结合代表了可持续和多功能智能纺织品发展的重大进步。此外，通过溅射技术在纺织材料上沉积薄膜可实现均匀且可扩展的涂层，从而生产出适用于可穿戴电子设备的柔性轻质织物。

实验步骤

实验过程

使用市售的导电聚苯乙烯作为纺织基材。作为功能化材料，采用了ZnO和掺铝ZnO（AZO，含2%铝），并通过射频磁控溅射从纯度为99.99%的ZnO和AZO靶材上在纺织材料上沉积290纳米厚的薄膜。2%的掺杂浓度是基于全面文献回顾选定的。较高浓度往往会导致晶体结构变化，从而产生缺陷。

结果与讨论

图1(a)展示了ZnO和AZO涂层（含2%铝的ZnO）纺织材料与原始纺织材料的XRD图谱。涂层纺织材料显示出来自(100)、(002)和(101)面的3个ZnO衍射峰，对应于纤锌矿晶体结构（JCPDS: 36–1451）。图1(b)显示了石英基底上ZnO和AZO的XRD图谱，这些衍射图谱用于确定薄膜的结构参数。

结论

采用射频磁控溅射技术在导电、柔性纺织材料上沉积了ZnO和AZO（含2%铝的ZnO）。研究了这些功能化纺织材料的多种特性，包括自清洁、抗菌、摩擦电纳米发电机和紫外线防护性能。通过将这些纺织材料与PVDF纳米纤维结合制备了摩擦电纳米发电机（TENG），发现掺铝ZnO相比纯ZnO具有更好的性能。涂层纺织材料的紫外线防护效果表现出良好的UPF值。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

P. Hajara感谢印度新能源与可再生能源部（MNRE）颁发的NREF奖学金。M. R. Shijeesh感谢喀拉拉邦高等教育委员会（KSHEC）提供的CMNPDF资助。C. C. Mohan感谢新德里大学资助委员会通过Dr. D. S. Kothari的博士后奖学金（奖项编号F.4–2/2006(BSR)/BL/20–21/0311）提供的项目资金。作者还感谢DST-PURSE在购买射频磁控溅射设备方面的财务支持。