罗振扬等人 Nano Energy：接近100%电击穿自修复效率的新型摩擦纳米发电机

【背景介绍】

摩擦纳米发电机（TENG）是一种新型的能量收集技术，可以将周围环境的机械能和人体运动直接转化为电能。TENG具有体积更小、材料可用范围更广、重量更轻等优点，可在环境中捕获风能、水滴的重力势能等能量。但是，由于拉伸、弯曲、压缩、界面摩擦和高压击穿等原因，TENG容易遭受无法预料的损坏，通常会降低输出电气性能，甚至导致故障。而自修复材料为解决上述问题提供了一种理想的方案。虽然基于自修复材料的TENG以取得一些成果，但是研究人员常常忽略了电击穿损坏。事实上，如果将发电层的厚度减小到一定水平，则任何类型的TENG都会出现电击穿问题。当将薄膜厚度减小到0.2 m时，TENG材料在199 V电压下会发生电击穿问题。同时较薄发电层的TENG具有较高的输出性能，但其薄膜越薄，发生电击穿问题的风险就越高。此外，目前的电击穿自修复材料的电击穿自修复效率通常小于80％，从而限制了它们在TENG中的应用。

【成果简介】

近日，南京林业大学罗振扬教授和瑞典吕勒奥理工大学Yijun Shi（共同通讯作者）等人报道了一种基于新型聚氨酯基自修复弹性体的新型TENG，该弹性体具有良好的机械自修复性能（修复效率约为96％）和优异的电击穿自修复性能（修复效率为90％）。通过自修复机理研究表明，优异的自修复性能是来自分子间氢键、Fe³⁺与吡啶环之间弱而动态的配位键的结合。该TENG产生的开路电压为180 V、短路电流为1.3 μA、最大功率为40 mW·m^-2。同时，该TENG表现出优异的稳定性，即使在3000次循环后，其输出性能也不会降低。更重要的是，经过几次机械自修复或电气击穿自修复后，该TENG的输出电性能几乎可以100％恢复到原始状态。研究成果以题为“A new triboelectric nanogenerator with excellent electric breakdown self-healing performance”发布在国际著名期刊 Nano Energy上。

【图文解读】

图一、配位键和氢键双动态网络示意图

图二、聚氨酯-2,4-二羟基吡啶（PU-DHP）的合成路线

图三、PU-DHP、PU-DHP/Fe2的全频带ATR-FTIR

图四、机械自修复性能
a-d）PU-DHP/Fe30、PU-DHP/Fe12、PU-DHP/Fe6和PU-DHP/Fe2在50℃和室温下初始曲线和修复曲线的应力-应变曲线；

e）比较所有样品的自修复效率；

f）PU-DHP/Fe30、PU-DHP/Fe12、PU-DHP/Fe6和PU-DHP/Fe2的图像。

图五、电击穿自修复性能
a）在45 kV电压击穿后，厚度为0.3 mm的样品的自修复；

b）比较过去十年中电击穿自修复材料的电击穿强度、机械修复效率和电击穿修复效率。

c-f）用光学显微镜记录的电击穿部位的照片。

图六、氢键和配位键的贡献
a）在不同温度下，PU-DHP/Fe2的低场NMR光谱；

b-d）PU-DHP和PU-DHP/Fe2的XPS光谱。

图七、DFT分析
a-b）从基态的总能量和Fe³⁺与最接近的氮原子和氧原子之间的距离消除模型PU-DHP/Fe系统的总能量；

c）将Fe³⁺掺入PU-DHP后电荷密度分布的变化。

图八、自修复型TENG
a）TENG的工作机理和电荷产生过程的示意图；

b）TENG照亮了17个LED的照片；

c-d）TENG纺织品在相对于PU-DHP/Fe³⁺薄膜约1.2 Hz的相对运动下的输出V_oc和I_sc；

e）在不同的外部负载电阻下的电压、电流和功率；

f）TENG性能的稳定性和耐久性测试。

图九、自修复型TENG的性能
a-d）在不同时间下，PU-DHP/Fe2基TENG在自修复过程中的电流和输出电压；

c-d）PU-DHP/Fe2基TENG在3次机械损伤修复过程中的电流和输出电压；

e-f）PU-DHP/Fe2基TENG在3次电击穿和自修复过程中的电流和输出电压。

【小结】

综上所述，作者报道了一种具有双动态网络（氢键和配位键）的高度可修复弹性体，并以此制备了一种新型的TENG。这种双重动态网络赋予材料特殊的性能，包括在反复电场击穿后具有96％的机械自修复效率和近100％的电击穿自修复效率。通过理论计算和实验研究表明，自修复性能源自材料的双重动态网络。经研究证实，PU-DHP/Fe3+可用于开发具有机械自修复和电击穿自修复特性的TENG。这种材料为TENG遭受机械损坏或电击穿损坏提供了极好的保护，大大提高了TENG的可靠性。总之，研发的TENG在制备多功能智能发电机和可穿戴电子设备方面具有巨大的前景。

文献链接：A new triboelectric nanogenerator with excellent electric breakdown self-healing performance. Nano Energy, 2021, DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.105990.

通讯作者简介

罗振扬，教授/研究员级高级工程师。现任南京林业大学理学院院长、高分子材料研究所所长，兼任国家工程材料标准化工作组（SAC/SWG3）委员、《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》中国履约专家组成员、江苏省复合材料学会常务理事、中国聚氨酯工业协会理事、《聚氨酯工业》名誉主编。从事高聚物多相结构与性能、功能高分子材料、生物质高分子材料方面研究。

相关论文：

A self-healing elastomer based on an intrinsic non-covalent cross-linking mechanism，J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 15207-15214，DOI：10.1039/C9TA03775F

本文由CQR编译。

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