曲良体教授Nano Energy：透明、自愈合、任意定制的湿气发电薄膜

【引言】

自愈合能力是生物体在受损后实现结构和功能恢复的固有能力。为了模拟生物，设计了人工自修复材料，例如，通过重新组合受损界面之间的动态共价键或非共价键（如氢键）。迄今为止，自愈合材料已被应用于各种功能性器件，如导体、超级电容器、电池、传感器和摩擦电纳米发电机，使它们稳定地保持长寿命和改善环境适应性。新开发的湿气发电机（MEG）可以通过与环境中的水分相互作用产生电能。由于无处不在的水分来源和清洁环保的产电过程，MEGs受到了广泛的关注。到目前为止，已开发出基于吸湿性石墨烯类材料、聚电解质膜或金属氧化物作为MEGs的产电材料。但是，现有的MEGs也存在不足之处：i）容易受到划伤和意外切割等机械损伤而导致产电性能损失，严重降低了MEGs的使用寿命和可靠性；ii) MEGs通常是不透明的，因为其产电材料及金属电极（如金、银、石墨箔）相对较厚，限制了其在光学透明器件中的应用；iii）MEGs尚不能同时实现优异的机械强度、光学特性、耐用性等多种功能，导致复杂环境条件下难以发挥作用。

【成果简介】

近日，曲良体教授团队（通讯作者）首次报道了一种多功能的湿气发电薄膜（MEFG），它具有透明、自愈合、柔性和任意可定制的特点。该MEFG由导电银纳米线（Ag NW）作为电极，吸湿性聚(4-苯乙烯磺酸)和聚乙烯醇复合膜（PSS-PVA）作为产电活性材料。一小块MEFG（2 mm²）在反复弯曲下，可以产生约 0.6 V的电压和2.0 μA的电流，并输功率约为7.9 μW cm^-2。即使破裂状态下，该MEFG能通过湿气诱导原位自愈合过程，来保持原始的柔性、透明度和湿电性能。柔性的MEFG也可以任意裁切和折叠，还可以通过产电器件的串并联提供更高的功率输出来满足实际应用需求。串联的MEFGs不仅可以用作商用电子设备的电源，还可以集成到可穿戴自供电自修复器件中，以适应复杂的环境。相关成果以题为“Transparent， self-healing， arbitrary tailorable moist-electric film generator”发表在了Nano Energy上，博士研究生王海燕同学为第一作者。

【图文导读】

图1 MEFG的过程示意图

图2 MEFG的柔性和形貌表征

（a）弯曲条件下的软MEFG照片。比例尺：5 mm。

（b）MEFG被折叠成船和千纸鹤的三维模型。比例尺：5 mm。 

（c）中国剪纸图案MEFGs的照片。比例尺：5 mm。 

（d）显示MEFG透光的图像。

（e）MEFG的表面SEM图像。比例尺：1 μm。

（f）MEFG的横截面SEM图像。比例尺：500 nm。

图3 MEFG的愈合性能测试

（a）MEFG在饱和相对湿度下30分钟的自愈合过程照片。比例尺：5mm。 

（b,c）MEFG在切开和愈合状态下的光学显微镜照片（b）和SEM图像（c）。（b）中比例尺：200μm，插图：25 μm。（c）中比例尺：30μm，插图：500 nm。

（d）PSS-PVA链中水分诱导的愈合过程示意图。

（e）MEFG在完全愈合过程中的表面电阻变化。

（f）原始MEFG（实线）和愈合的MEFG（虚线）的紫外可见透射光谱。

（g）原始MEFG（实线）和愈合膜（虚线）的应力-应变曲线。

图4 MEFG在原始、切割和愈合状态下的电压行为

（a）湿电性能的自愈合示意图。

（b）MEFG在原始、切开和愈合状态下的电压输出。

（c）MEFG在不同切割/愈合次数的电压保持率。

（d）在原始、切开和愈合状态下，MEFG在120°弯曲角度下的电压输出。

（e）字母“ O”和“ K”形状下MEFGs的电压输出。插图是MEFG相应的照片。比例尺：2 mm。

图5 MEFG作为电源提供的电能

（a）MEFG给商用电容器充电的电压-时间曲线。插图是电荷存储电路图。

（b）两个串联MEFGs在原始状态和愈合状态的电压输出。插图是串联示意图。

（c）在原始状态和愈合状态下两个并联的MEFGs的电流输出。插图是并联的示意图。

（d）可自愈合的MEFGs作为电源在实际应用的展示。

（e）自供电电子手表的示意图（左）及其在工作状态下的照片（右）。

（f）自供电显示器件的示意图（左）和照片（右）。透明的MEFGs既可以用作电源，也可以用作透光层。

【小结】

总之，团队首次开发了一款具有自愈合、柔性、透明、任意定制等特点的多功能MEFG。这个MEFG无论是弯曲或任意定制状态下，都可以产生约0.6 V的电压和7.9 μW cm^-2的功率。基于氢键相互作用，破裂的MEFG不仅可以保持柔性和透明，还可以恢复到原始的湿电性能。此外，串联的MEFGs可以用作电源为商用电子设备供电，并集成到可自愈合器件、可穿戴自供电手表和自供电显示器件中，为柔性可穿戴、光学透明和自愈合电子器件提供了潜在的应用前景。

文献链接：Transparent， self-healing， arbitrary tailorable moist-electric film generator（Nano Energy， 2019， DOI:10.1016/j.nanoen.2019.104238）

本文由木文韬翻译，材料牛整理编辑。

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