羅振揚等人 Nano Energy：接近100%電擊穿自修復效率的新型摩擦納米發電機

【背景介紹】

摩擦納米發電機（TENG）是一種新型的能量收集技術，可以將周圍環境的機械能和人體運動直接轉化為電能。TENG具有體積更小、材料可用范圍更廣、重量更輕等優點，可在環境中捕獲風能、水滴的重力勢能等能量。但是，由于拉伸、彎曲、壓縮、界面摩擦和高壓擊穿等原因，TENG容易遭受無法預料的損壞，通常會降低輸出電氣性能，甚至導致故障。而自修復材料為解決上述問題提供了一種理想的方案。雖然基于自修復材料的TENG以取得一些成果，但是研究人員常常忽略了電擊穿損壞。事實上，如果將發電層的厚度減小到一定水平，則任何類型的TENG都會出現電擊穿問題。當將薄膜厚度減小到0.2 m時，TENG材料在199 V電壓下會發生電擊穿問題。同時較薄發電層的TENG具有較高的輸出性能，但其薄膜越薄，發生電擊穿問題的風險就越高。此外，目前的電擊穿自修復材料的電擊穿自修復效率通常小于80％，從而限制了它們在TENG中的應用。

【成果簡介】

近日，南京林業大學羅振揚教授和瑞典呂勒奧理工大學Yijun Shi（共同通訊作者）等人報道了一種基于新型聚氨酯基自修復彈性體的新型TENG，該彈性體具有良好的機械自修復性能（修復效率約為96％）和優異的電擊穿自修復性能（修復效率為90％）。通過自修復機理研究表明，優異的自修復性能是來自分子間氫鍵、Fe³⁺與吡啶環之間弱而動態的配位鍵的結合。該TENG產生的開路電壓為180 V、短路電流為1.3 μA、最大功率為40 mW·m^-2。同時，該TENG表現出優異的穩定性，即使在3000次循環后，其輸出性能也不會降低。更重要的是，經過幾次機械自修復或電氣擊穿自修復后，該TENG的輸出電性能幾乎可以100％恢復到原始狀態。研究成果以題為“A new triboelectric nanogenerator with excellent electric breakdown self-healing performance”發布在國際著名期刊?Nano Energy上。

【圖文解讀】

圖一、配位鍵和氫鍵雙動態網絡示意圖

圖二、聚氨酯-2,4-二羥基吡啶（PU-DHP）的合成路線

圖三、PU-DHP、PU-DHP/Fe2的全頻帶ATR-FTIR

圖四、機械自修復性能
a-d）PU-DHP/Fe30、PU-DHP/Fe12、PU-DHP/Fe6和PU-DHP/Fe2在50℃和室溫下初始曲線和修復曲線的應力-應變曲線；

e）比較所有樣品的自修復效率；

f）PU-DHP/Fe30、PU-DHP/Fe12、PU-DHP/Fe6和PU-DHP/Fe2的圖像。

圖五、電擊穿自修復性能
a）在45 kV電壓擊穿后，厚度為0.3 mm的樣品的自修復；

b）比較過去十年中電擊穿自修復材料的電擊穿強度、機械修復效率和電擊穿修復效率。

c-f）用光學顯微鏡記錄的電擊穿部位的照片。

圖六、氫鍵和配位鍵的貢獻
a）在不同溫度下，PU-DHP/Fe2的低場NMR光譜；

b-d）PU-DHP和PU-DHP/Fe2的XPS光譜。

圖七、DFT分析
a-b）從基態的總能量和Fe³⁺與最接近的氮原子和氧原子之間的距離消除模型PU-DHP/Fe系統的總能量；

c）將Fe³⁺摻入PU-DHP后電荷密度分布的變化。

圖八、自修復型TENG
a）TENG的工作機理和電荷產生過程的示意圖；

b）TENG照亮了17個LED的照片；

c-d）TENG紡織品在相對于PU-DHP/Fe³⁺薄膜約1.2 Hz的相對運動下的輸出V_oc和I_sc；

e）在不同的外部負載電阻下的電壓、電流和功率；

f）TENG性能的穩定性和耐久性測試。

圖九、自修復型TENG的性能
a-d）在不同時間下，PU-DHP/Fe2基TENG在自修復過程中的電流和輸出電壓；

c-d）PU-DHP/Fe2基TENG在3次機械損傷修復過程中的電流和輸出電壓；

e-f）PU-DHP/Fe2基TENG在3次電擊穿和自修復過程中的電流和輸出電壓。

【小結】

綜上所述，作者報道了一種具有雙動態網絡（氫鍵和配位鍵）的高度可修復彈性體，并以此制備了一種新型的TENG。這種雙重動態網絡賦予材料特殊的性能，包括在反復電場擊穿后具有96％的機械自修復效率和近100％的電擊穿自修復效率。通過理論計算和實驗研究表明，自修復性能源自材料的雙重動態網絡。經研究證實，PU-DHP/Fe3+可用于開發具有機械自修復和電擊穿自修復特性的TENG。這種材料為TENG遭受機械損壞或電擊穿損壞提供了極好的保護，大大提高了TENG的可靠性。總之，研發的TENG在制備多功能智能發電機和可穿戴電子設備方面具有巨大的前景。

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

通訊作者簡介

羅振揚，教授/研究員級高級工程師。現任南京林業大學理學院院長、高分子材料研究所所長，兼任國家工程材料標準化工作組（SAC/SWG3）委員、《關于消耗臭氧層物質的蒙特利爾議定書》中國履約專家組成員、江蘇省復合材料學會常務理事、中國聚氨酯工業協會理事、《聚氨酯工業》名譽主編。從事高聚物多相結構與性能、功能高分子材料、生物質高分子材料方面研究。

相關論文：

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編譯。

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