曲良體教授Nano Energy：透明、自愈合、任意定制的濕氣發電薄膜

【引言】

自愈合能力是生物體在受損后實現結構和功能恢復的固有能力。為了模擬生物，設計了人工自修復材料，例如，通過重新組合受損界面之間的動態共價鍵或非共價鍵（如氫鍵）。迄今為止，自愈合材料已被應用于各種功能性器件，如導體、超級電容器、電池、傳感器和摩擦電納米發電機，使它們穩定地保持長壽命和改善環境適應性。新開發的濕氣發電機（MEG）可以通過與環境中的水分相互作用產生電能。由于無處不在的水分來源和清潔環保的產電過程，MEGs受到了廣泛的關注。到目前為止，已開發出基于吸濕性石墨烯類材料、聚電解質膜或金屬氧化物作為MEGs的產電材料。但是，現有的MEGs也存在不足之處：i）容易受到劃傷和意外切割等機械損傷而導致產電性能損失，嚴重降低了MEGs的使用壽命和可靠性；ii) MEGs通常是不透明的，因為其產電材料及金屬電極（如金、銀、石墨箔）相對較厚，限制了其在光學透明器件中的應用；iii）MEGs尚不能同時實現優異的機械強度、光學特性、耐用性等多種功能，導致復雜環境條件下難以發揮作用。

【成果簡介】

近日，曲良體教授團隊（通訊作者）首次報道了一種多功能的濕氣發電薄膜（MEFG），它具有透明、自愈合、柔性和任意可定制的特點。該MEFG由導電銀納米線（Ag NW）作為電極，吸濕性聚(4-苯乙烯磺酸)和聚乙烯醇復合膜（PSS-PVA）作為產電活性材料。一小塊MEFG（2 mm²）在反復彎曲下，可以產生約?0.6 V的電壓和2.0?μA的電流，并輸功率約為7.9 μW cm^-2。即使破裂狀態下，該MEFG能通過濕氣誘導原位自愈合過程，來保持原始的柔性、透明度和濕電性能。柔性的MEFG也可以任意裁切和折疊，還可以通過產電器件的串并聯提供更高的功率輸出來滿足實際應用需求。串聯的MEFGs不僅可以用作商用電子設備的電源，還可以集成到可穿戴自供電自修復器件中，以適應復雜的環境。相關成果以題為“Transparent，?self-healing，?arbitrary tailorable moist-electric film generator”發表在了Nano Energy上，博士研究生王海燕同學為第一作者。

【圖文導讀】

圖1?MEFG的過程示意圖

圖2?MEFG的柔性和形貌表征

（a）彎曲條件下的軟MEFG照片。比例尺：5 mm。

（b）MEFG被折疊成船和千紙鶴的三維模型。比例尺：5 mm。?

（c）中國剪紙圖案MEFGs的照片。比例尺：5 mm。?

（d）顯示MEFG透光的圖像。

（e）MEFG的表面SEM圖像。比例尺：1?μm。

（f）MEFG的橫截面SEM圖像。比例尺：500?nm。

圖3?MEFG的愈合性能測試

（a）MEFG在飽和相對濕度下30分鐘的自愈合過程照片。比例尺：5mm。?

（b,c）MEFG在切開和愈合狀態下的光學顯微鏡照片（b）和SEM圖像（c）。（b）中比例尺：200μm，插圖：25?μm。（c）中比例尺：30μm，插圖：500 nm。

（d）PSS-PVA鏈中水分誘導的愈合過程示意圖。

（e）MEFG在完全愈合過程中的表面電阻變化。

（f）原始MEFG（實線）和愈合的MEFG（虛線）的紫外可見透射光譜。

（g）原始MEFG（實線）和愈合膜（虛線）的應力-應變曲線。

圖4 MEFG在原始、切割和愈合狀態下的電壓行為

（a）濕電性能的自愈合示意圖。

（b）MEFG在原始、切開和愈合狀態下的電壓輸出。

（c）MEFG在不同切割/愈合次數的電壓保持率。

（d）在原始、切開和愈合狀態下，MEFG在120°彎曲角度下的電壓輸出。

（e）字母“ O”和“ K”形狀下MEFGs的電壓輸出。插圖是MEFG相應的照片。比例尺：2 mm。

圖5?MEFG作為電源提供的電能

（a）MEFG給商用電容器充電的電壓-時間曲線。插圖是電荷存儲電路圖。

（b）兩個串聯MEFGs在原始狀態和愈合狀態的電壓輸出。插圖是串聯示意圖。

（c）在原始狀態和愈合狀態下兩個并聯的MEFGs的電流輸出。插圖是并聯的示意圖。

（d）可自愈合的MEFGs作為電源在實際應用的展示。

（e）自供電電子手表的示意圖（左）及其在工作狀態下的照片（右）。

（f）自供電顯示器件的示意圖（左）和照片（右）。透明的MEFGs既可以用作電源，也可以用作透光層。

【小結】

總之，團隊首次開發了一款具有自愈合、柔性、透明、任意定制等特點的多功能MEFG。這個MEFG無論是彎曲或任意定制狀態下，都可以產生約0.6?V的電壓和7.9 μW cm^-2的功率。基于氫鍵相互作用，破裂的MEFG不僅可以保持柔性和透明，還可以恢復到原始的濕電性能。此外，串聯的MEFGs可以用作電源為商用電子設備供電，并集成到可自愈合器件、可穿戴自供電手表和自供電顯示器件中，為柔性可穿戴、光學透明和自愈合電子器件提供了潛在的應用前景。

文獻鏈接：Transparent，?self-healing，?arbitrary tailorable moist-electric film generator（Nano Energy，?2019，?DOI:10.1016/j.nanoen.2019.104238）

本文由木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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