東華大學游正偉教授團隊Nano Energy：高度可拉伸，透明，耐用的摩擦納米發電機，適用于寬溫度范圍內的能量收集和運動傳感

尚志者王 4年前 (2019-07-26) 5665瀏覽

【成果簡介】

摩擦納米發電機（TENG）已被開發為高效且可持續的電源，可將機械能轉化為電能。目前已經進行了相當多的研究來開發可以收獲各種形式，尤其是來自人體運動的能量的機械能的柔性TENG的可穿戴設備。特別是，由于可穿戴設備符合柔軟的人體組織和頻繁的人體運動而不會降低設備性能，并且透明度有助于視覺傳輸信息的潛在應用。因此，柔軟、可拉伸和透明的TENG在可穿戴電子產品中顯示出巨大潛力。

近日，東華大學纖維材料改性國家重點實驗室游正偉等人在Nano Energy上發表了一篇題為“Ionogel-based, highly stretchable, transparent, durable triboelectric nanogenerators for energy harvesting and motion sensing over a wide temperature range”的文章。他們提出了一種基于離子凝膠的摩擦納米發電機（I-TENG），具有高拉伸性（> 400%），透明度和寬溫度耐受范圍（-20至100°C）。含有離子液體[1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺（[EMI] [DCA]））的離子凝膠通過紫外光聚合3-甲基（甲基丙烯酰氧基乙基）銨丙烷磺酸鹽（DMAPS）和丙烯酸一步制備。過硫酸銨作為光引發劑。離子凝膠網絡由DMAPS部分上的側鏈兩性離子官能團之間的偶極-偶極相互作用以及離子液體離子和離子化基團之間的離子-偶極相互作用構成。所制備的離子凝膠表現出高拉伸性（~800%），透明性和離子導電率。離子凝膠與聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜組成的I-TENG在負載電阻為10MΩ時的峰值輸出功率為1.3 W m-2。此外，I-TENG具有優異的抗疲勞和耐久性能，其電輸出性能至少穩定一個月。I-TENG可以從各種人體運動中獲取機械能，并作為自供電的人體運動傳感器。更重要的是，I-TENG能夠在-20至100°C的寬溫度范圍內實現長期穩定的電輸出和傳感性能。

【圖文導讀】

圖1 I-TENG的設計和離子凝膠的表征

（a）具有夾層結構的I-TENG；

（b）離子凝膠和I-TENG的透明性；

（c）I-TENG的透明度和不同的機械變形；

（d）I-TENG共形地附著在手腕上；

（e）離子凝膠和I-TENG的單軸拉伸試驗。

圖2 I-TENG的工作機理和電輸出性能

（a）I-TENG的工作機制；

（b）開路電壓VOC；

（c）短路電流和短路電荷量Q（插圖）；

（d）不同接觸面積的I-TENG輸出電壓；

（e）I-TENG的輸出電流密度和功率密度隨外部負載電阻的變化；

（f）I-TENG超過7000次循環的耐久性；

（g）1000次100%應變循環前后I-TENG輸出電壓的比較。TENG處于初始狀態和100％應變狀態（插圖）。

圖3 使用I-TENG進行能量收集

（a）I-TENG點亮40盞綠色LED；

（b）以I-TENG為電源的4.7μF，10μF，22μF和47μF商用電容器的充電曲線；

（c）自充電系統的圖像和等效電路，其使用從I-TENG收集的能量來為電子表供電；

（d）由I-TENG充電并用于為電子表供電的22μF電容器的電壓循環曲線。

圖4 在30℃或100℃下相對濕度（RH）為30%的干燥環境中I-TENG與H-TENG穩定性比較

（a）H-TENG和I-TENG的實物圖片；

（b）TENG中水或離子液體的含量隨時間的變化；

（c）I-TENG和（d）H-TENG在不同時間點的開路電壓；

（e）離子凝膠和I-TENG的重量保留隨時間的變化；

（f）100℃下I-TENG的開路電壓和短路電流隨時間的變化。

圖5 水凝膠、離子凝膠和雙電極I-TENG的低溫耐受性照片

（a）水凝膠在-20℃下結冰易碎，而離子凝膠在-20℃下仍具有良好的拉伸性；

（b）雙電極I-TENG的示意圖；

（c）室溫（R.T.）和（d）-20 ℃下，在不同彎曲角度下雙電極模式下I-TENG的電壓。

【小結】

本文設計了一種基于離子凝膠的新型TENG，其在-20至100℃的寬溫度范圍內甚至在拉伸狀態下，顯示出高透明度，可變形性，耐久性和穩定的電輸出性能。I-TENG展示了有效的生物力學能量收集和自供電生理監測，表明其在可穿戴電子設備，電子皮膚（E-skin），軟機器人和人工智能中的巨大潛力。未來，研究人員將開發更高效的離子凝膠和相關密封材料，以改善I-TENG的各種性能，適用于各種應用。此外，可拉伸，柔軟和透明的離子凝膠可以成為在各種條件下使用的其他電子設備（可拉伸超級電容器，軟體感應驅動器，多功能傳感器等）的理想電極和電解質材料，甚至在沙漠和雪原等惡劣條件下使用。

該論文的第一作者為東華大學博士生孫利杰，游正偉教授為該論文的通訊作者，管清寶副教授為論文的共同作者。該項工作得到了國家自然科學基金、上海市自然科學基金、東華大學勵志計劃等基金的資助。

文獻鏈接：Ionogel-based, highly stretchable, transparent, durable triboelectric nanogenerators for energy harvesting and motion sensing over a wide temperature range?（Nano Energy，2019， DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.06.043）

游正偉教授個人簡介：

游正偉現任東華大學材料科學與工程學院復合材料系主任，纖維材料改性國家重點實驗室教授博導，上海市僑聯青年總會常務理事。本科和博士分別畢業于上海交通大學和中國科學院上海有機化學研究所，佐治亞理工學院博士后，曾任匹茲堡大學訪問研究助理教授，拜耳材料科技亞太區新事業企劃部創新經理等職。2013年加入東華大學，當前主要從事彈性體、3D打印、生物醫學和生物電子器件的研究。共發表SCI論文50余篇，其中在Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.等國際著名期刊第一和通訊作者發表SCI論文30余篇 (IF>14的7篇)。申請專利30余項，授權12項；參編英文學術專著章節1次。在歐洲材料研究學會會議等重要學術會議上做主旨和邀請報告20余次。擔任中國醫藥教育協會醫用生物材料與技術專業委員會、中國機械工程學會生物制造工程分會和上海市生物醫學工程學會生物材料專業委員會的委員。

一些代表性的工作：

  1. Wang, S.#; Liu, Z.#; Guo, Y.; Song, J.; Lou, J.; Guan, Q.; He, C.; You, Z.* Strong, detachable, and self-healing dynamic crosslinked hot melt polyurethane adhesive. Mater. Chem. Front.?2019, DOI: 10.1039/C9QM00233B.
  2. Yang, Y.#, Lei, D.#, Huang, Yang Q., Li S., Qing, F.-L., Ye X.*, You, Z.*, Zhao, Q.*?Hybrid electrospun rapamycin-loaded small-diameter vascular grafts effectively inhibit intimal hyperplasia Acta Biomater. DOI:?10.1016/j.actbio.2019.06.037.
  3. Sun, L; Chen, S.; Guo, Y. Song, J.; Zhang, L.; Xiao, L.; Guan, Q.; You, Z.* Ionogel-based, highly stretchable, transparent, durable triboelectric nanogenerators for energy harvesting and motion sensing over a wide temperature range.Nano Energy, 2019, 63, 103847.
  4. Liu, Z.#; Zhang, L.#; Guan, Q.; Guo, Y.; Lou, J.; Lei, D.; Wang, S.; Chen, S.; Sun, L.; Xuan, H.; Jeffries, E.; He, C.; He, C.; Qing, F.-L.; You, Z.* Biomimetic materials with multiple protective functionalities. Adv. Funct. Mater.?2019, 1901058.
  5. Zhang, L.#; Liu, Z.#; Wu, X.; Guan, Q.; Chen, S.; Sun, L.; Guo, Y.; Wang, S.; Song, J.; Jeffries, E.; He, C.; Qing, F.-L.; Bao, X.; You, Z.* A highly efficient self-healing elastomer with unprecedented mechanical properties.?Adv. Mater.?2019, 1901402
  6. Guan, Q.; Gong, Y.; Lin, G.; Wang, J.; Tan, W.; Bao, D.; Liu, Y.; You, Z.; Sun, X.; Wen, Z.*; Pan, Y.* Highly efficient self-healable and dual responsive hydrogel-based deformable triboelectric nanogenerators for wearable electronics. ?J. Mater. Chem. A, 2019, 7 (23), 13948-13955
  7. Y#; Lei, D.#; Huang, S.; Yang, Q.; Song, B.; Guo, Y.; Shen, A.; Yuan, Z.; Li, S.; Qing, F-L.; Ye, X.*; You, Z.*; Zhao, Q.* Elastic 3D printed hybrid polymeric scaffold improves cardiac remodeling after myocardial infarction. Adv. Healthc. Mater.2019, 1900065.
  8. Xie, Y.; Lei, D.; Wang, S.; Liu, Z.; Sun, L.; Zhang, J.; Qing, F-L.; He, C.*; * A biocompatible, biodegradable and functionalizable copolyester and its application in water-responsive shape memory scaffold ACS Biomater. Sci. Eng.2019,?5, 1668-1676.
  9. Lei, D.; Yang, Y.; Liu, Z.; Yang, B.; Gong, W.; Chen, S.; Sun, L.; Song, B.; Xuan, H.; Mo, X.; Sun, B.; Li, S.; Yang, Q.; Huang, S.; Chen, S.; Ma, Y.; Liu, W.; He, C.; Zhu, B.; Jeffries, E.; Qing, F-L.; Ye, X.*; Zhao, Q.*; You, Z.* 3D printing of biomimetic vasculature for tissue regeneration.?Mater. Horiz.?2019, DOI: 10.1039/C9MH00174Cs
  10. Xiao, B.#; Yang, W.#; Yang, W.; Lei, D.; Huang, J.; Yin, Y.; Zhu, Y.; You, Z.*; Wang, F.*; Sun, S.* PGS scaffolds promote the in vivo survival and directional differentiation of bone marrow mesenchymal stem cells restoring the morphology and function of the wounded rat uterus.? Adv. Healthc. Mater.?2019, 8, 1801455.(#Co-first author)
  11. Guo, Y.#; Lv, Z.#; Huo, Y.; Sun, L.; Chen, S.; Liu, Z.; He, C.; Bi, X.; Fan, B. You Z.* A biodegradable functional water-responsive shape memory polymer for biomedical applications. J. Mater. Chem. B, 2019, 7, 123-132.
  12. Sun, L.; Wang, M.; Chen, S.; Sun, B.; Guo, Y.; He, C.; Mo, X.; Zhu, B.;You, Z.*; Molecularly engineered metal-based bioactive soft materials – neuroactive magnesium ion/polymer hybrids Acta Biomater.?2019, 85, 310-319.
  13. Lei, D.; Yang, Y.; Chen, S.; Liu, Z.; Song, B.; Shen, A.; Yang, B.; Li, S.; Yuan, Z.; Qi, Q.; Sun, L.; Guo, Y.; Zuo, H.; Huang, S.; Yang, Q.; Mo, X.; He, C.; Zhu, B.; Jeffries, E.; Qing, F-L.; Ye, X.*; Zhao Q.*;You, Z.* A general strategy of 3D printing thermosets for diverse applications.? Mater. Horiz., 2019, 6, 394-404.
  14. Chen, S.#; Huang, T.#; Zuo, H.; Qian, S.; Guo, Y.; Sun, L.; Lei, D.; Wu, Q.; Zhu, B.; He, C.; Mo, X.; Jeffries, E.; Yu, H.; You, Z.* A single integrated 3D-printing process customizes elastic and sustainable triboelectric nanogenerators for wearable electronics.?Adv. Funct. Mater.?2018, 28, 1805108. (Back Cover)
  15. Chen, S.; Bi, X.; Sun, L.; Gao, J.; Huang, P.; Fan, X.; You, Z.*; Wang, Y.* Poly(sebacoyl diglyceride) cross-Linked by dynamic hydrogen bonds: A self-healing and functionalizable thermoplastic bioelastomer. ACS Appl. Mater. Interfaces2016, 8(32), 20591–20599.
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  18. Gong, W.#; Lei, D.#; Li, S.; Huang, P.; Qi, Q.; Sun, Y.; Zhang, Y.; Wang, Z; You, Z.*; Ye, X.*; Zhao, Q.* Hybrid small-diameter vascular grafts: Anti-expansion effect of electrospun poly ε-caprolactone on heparin-coated decellularized matrices. Biomaterials2016, 76, 359-370.
  19. You, Z.; Wang, Y.* A versatile synthetic platform for a wide range of functionalized biomaterials. Adv. Funct. Mater..?2012, 22, 2812-2820.
  20. You, Z.; Cao, H.; Gao, J.; Paul, S. H.; Day, B. W.; Wang, Y.* A functionalizable polyester with free hydroxyl groups and tunable physiochemical and biological properties. Biomaterials2010, 31, 3129-3138.

本文由水手供稿，材料牛編輯整理。

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