Nano Energy：基于可修復聚合物和磁輔助電極的全自愈和形狀可剪裁摩擦納米發電機

【引言】

由于有限化石能源的過度消耗，同時也為滿足現代社會對能源的需求，發展可持續能源技術已經迫在眉睫。作為可持續能源，環境中的各種機械能，正受到越來越多的關注。與此同時，各種能源轉化技術得到了迅速發展。其中，作為機械能收集器件的一種，摩擦納米發電機（TENG）取得了令人矚目的成績。然而在機械能收集過程中，TENG不得不遭受持續地機械沖擊，這使它的穩定性和持久性面臨極大的挑戰。針對這一問題，研究人員發明了一種具有自愈特性的TENG，能夠自動修復機械損傷。

【成果簡介】

近日，香港理工大學應用物理系郝建華教授（通訊作者）研究小組構建了一種自愈TENG。通過自愈聚合物和磁輔助電極的引入，使得發電機在遭到損傷后可自行修復。該發電機在經過5個損傷-修復周期后，發電機的性能仍然能夠達到初始的95%。這項研究為發展新型機械能收集器件提供了可行方案。該研究成果以“Fully Self-healing and Shape-tailorable Triboelectric Nanogenerators Based on Healable Polymer and Magnetic-assisted Electrode”為題發表在Nano Energy上。

【圖文導讀】

圖1. 自愈摩擦納米發電機的結構和發電機理圖

（a）自愈摩擦納米發電機的結構示意圖；

（b）自愈TENG（4 cm × 6 cm）的光學照片：（左）插圖展示的是底電極的光學照片，（右）插圖展示的絕緣層底面圖案的光學照片；

（c-f） 自愈TENG的發電機理圖：（c）完全接觸狀態，（d）逐漸分離狀態， (e) 逐漸接觸狀態，（f）完全分離狀態。

圖2. 自愈TENG的電學輸出性能表征

（a）? 在施加6.25 N作用力下，自愈TENG的開路電壓；

（b）? 在施加6.25 N作用力下，自愈TENG的短路電流；

（c）? 在施加6.25 N作用力下，自愈TENG的輸出電壓和電流隨負載電阻變化圖；

（d）? 在施加6.25 N作用力下，自愈TENG的輸出功率密度隨負載電阻變化圖。

圖3. 聚合物摩擦層的自愈性能表征

（a）? PDMS-PU的自愈過程：（Ⅰ）初始態的PDMS-PU（Ⅱ）切斷后的PDMS-PU（Ⅲ）在65℃自愈后的PDMS-PU；

（b）? （上）損傷樣品的光學顯微圖片，（下）自愈后的光學顯微圖片；

（c）? 自愈后的樣品在拉伸前后的圖片；

（d）? 初始樣品和不同自愈時間和溫度下，自愈樣品的應力-應變曲線；

（e）? 在不同自愈時間和溫度下，PDMS-PU薄膜的應變恢復百分比。

圖4. 聚合物自愈機理

（a）? 自愈聚合物結構示意圖；

（b）? 所制備PDMS-PU薄膜中二硫鍵的可逆交換反應；

（c）? 所制備PDMS-PU薄膜中的可逆氫鍵連接；

（d）? 所制備PDMS-PU薄膜的自愈機理。

圖5. 器件的電極自愈性能表征

（a）? 通過和LED燈泡串聯來定性表征頂部電極的自愈過程：（Ⅰ）初始電極（Ⅱ）切斷后電極（Ⅲ）自愈后電極；

（b）? 底部電極的自愈過程；

（c）? 損傷前和自愈后電極的I-V曲線；

（d）? 頂部和底部電極在不同損傷-自愈周期下的電阻變化。

圖6. 發電機自愈過程中輸出性能表征

（a）? 在初始態、斷裂后、自愈后，所制備TENG的短路電流；

（b）? 在初始態、斷裂后、自愈后，所制備TENG的開路電壓。

圖7. TENG的形狀重塑性能

（a）? 自愈TENG從方形變為帶形的重塑過程：（Ⅰ）初始器件（Ⅱ）切斷后（Ⅲ）組裝（Ⅳ）重塑器件；

（b）? 施力物體與發電機之間的形狀匹配對短路電流輸出的影響；

（c）? 自愈TENG從初始方形到手形的形狀重塑過程；

（d）? 腳部運動驅動方形TENG產生的開路電壓；

（e）? 手拍打驅動方形TENG產生的開路電壓。

【小結】

該團隊通過將自愈PDMS-PU聚合物和磁輔助自愈電極集成構建了一種自愈摩擦納米發電機。該發電機在某部分受到機械損傷后，由于自愈聚合物的機械特自愈性和磁輔助電極的電學自愈特性，能夠很好的修復損傷部分，進而實現器件性能的恢復。同時，該自愈發電機還具有形狀可裁剪特性，使發電機能夠更好的收集機械能和匹配復雜的機械傳感。這為發展長壽命、高穩定性和目標適應性的自驅動能源器件提供了可行方案。

文獻鏈接：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）

本文由材料人編輯部新能源小組尋常編譯，點我加入材料人編輯部。

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