Nano Energy：基于可修复聚合物和磁辅助电极的全自愈和形状可剪裁摩擦纳米发电机

【引言】

由于有限化石能源的过度消耗，同时也为满足现代社会对能源的需求，发展可持续能源技术已经迫在眉睫。作为可持续能源，环境中的各种机械能，正受到越来越多的关注。与此同时，各种能源转化技术得到了迅速发展。其中，作为机械能收集器件的一种，摩擦纳米发电机（TENG）取得了令人瞩目的成绩。然而在机械能收集过程中，TENG不得不遭受持续地机械冲击，这使它的稳定性和持久性面临极大的挑战。针对这一问题，研究人员发明了一种具有自愈特性的TENG，能够自动修复机械损伤。

【成果简介】

近日，香港理工大学应用物理系郝建华教授（通讯作者）研究小组构建了一种自愈TENG。通过自愈聚合物和磁辅助电极的引入，使得发电机在遭到损伤后可自行修复。该发电机在经过5个损伤-修复周期后，发电机的性能仍然能够达到初始的95%。这项研究为发展新型机械能收集器件提供了可行方案。该研究成果以“Fully Self-healing and Shape-tailorable Triboelectric Nanogenerators Based on Healable Polymer and Magnetic-assisted Electrode”为题发表在Nano Energy上。

【图文导读】

图1. 自愈摩擦纳米发电机的结构和发电机理图

（a）自愈摩擦纳米发电机的结构示意图；

（b）自愈TENG（4 cm × 6 cm）的光学照片：（左）插图展示的是底电极的光学照片，（右）插图展示的绝缘层底面图案的光学照片；

（c-f） 自愈TENG的发电机理图：（c）完全接触状态，（d）逐渐分离状态， (e) 逐渐接触状态，（f）完全分离状态。

图2. 自愈TENG的电学输出性能表征

（a）  在施加6.25 N作用力下，自愈TENG的开路电压；

（b）  在施加6.25 N作用力下，自愈TENG的短路电流；

（c）  在施加6.25 N作用力下，自愈TENG的输出电压和电流随负载电阻变化图；

（d）  在施加6.25 N作用力下，自愈TENG的输出功率密度随负载电阻变化图。

图3. 聚合物摩擦层的自愈性能表征

（a）  PDMS-PU的自愈过程：（Ⅰ）初始态的PDMS-PU（Ⅱ）切断后的PDMS-PU（Ⅲ）在65℃自愈后的PDMS-PU；

（b）  （上）损伤样品的光学显微图片，（下）自愈后的光学显微图片；

（c）  自愈后的样品在拉伸前后的图片；

（d）  初始样品和不同自愈时间和温度下，自愈样品的应力-应变曲线；

（e）  在不同自愈时间和温度下，PDMS-PU薄膜的应变恢复百分比。

图4. 聚合物自愈机理

（a）  自愈聚合物结构示意图；

（b）  所制备PDMS-PU薄膜中二硫键的可逆交换反应；

（c）  所制备PDMS-PU薄膜中的可逆氢键连接；

（d）  所制备PDMS-PU薄膜的自愈机理。

图5. 器件的电极自愈性能表征

（a）  通过和LED灯泡串联来定性表征顶部电极的自愈过程：（Ⅰ）初始电极（Ⅱ）切断后电极（Ⅲ）自愈后电极；

（b）  底部电极的自愈过程；

（c）  损伤前和自愈后电极的I-V曲线；

（d）  顶部和底部电极在不同损伤-自愈周期下的电阻变化。

图6. 发电机自愈过程中输出性能表征

（a）  在初始态、断裂后、自愈后，所制备TENG的短路电流；

（b）  在初始态、断裂后、自愈后，所制备TENG的开路电压。

图7. TENG的形状重塑性能

（a）  自愈TENG从方形变为带形的重塑过程：（Ⅰ）初始器件（Ⅱ）切断后（Ⅲ）组装（Ⅳ）重塑器件；

（b）  施力物体与发电机之间的形状匹配对短路电流输出的影响；

（c）  自愈TENG从初始方形到手形的形状重塑过程；

（d）  脚部运动驱动方形TENG产生的开路电压；

（e）  手拍打驱动方形TENG产生的开路电压。

【小结】

该团队通过将自愈PDMS-PU聚合物和磁辅助自愈电极集成构建了一种自愈摩擦纳米发电机。该发电机在某部分受到机械损伤后，由于自愈聚合物的机械特自愈性和磁辅助电极的电学自愈特性，能够很好的修复损伤部分，进而实现器件性能的恢复。同时，该自愈发电机还具有形状可裁剪特性，使发电机能够更好的收集机械能和匹配复杂的机械传感。这为发展长寿命、高稳定性和目标适应性的自驱动能源器件提供了可行方案。

文献链接：Fully Self-healing and Shape-tailorable Triboelectric Nanogenerators Based on Healable Polymer and Magnetic-assisted Electrode（Nano Energy，2017，DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.08.045）

本文由材料人编辑部新能源小组寻常编译，点我加入材料人编辑部。

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