东华大学游正伟教授团队JMCA封面：可任意变形且具双重自修复模式的摩擦纳米发电机

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随着现代生活节奏的加快，可穿戴设备因其易携带、易与电子产品接入、及时获取实时信息等优点越来越受到人们的关注。然而，该领域仍面临一个比较大的挑战是缺乏可为这些可穿戴设备供电的柔性电源。基于摩擦发电和静电荷诱导原理的摩擦纳米发电机（TENG）近年来作为一种新型的发电设备取得了长足的发展和进步。TENG可以收集诸如步行等机械能，进而转化为电能，为可穿戴设备提供了一种可持续发展且环保的电源。但TENG在长期使用过程中难免会出现摩损甚至断裂等情况，这将大大影响TENG的有效使用。因此设计一种可以自修复的TENG，延长其使用寿命是非常有必要的。

近日，东华大学纤维材料改性重点国家实验室游正伟教授团队与苏州大学文震副研究员、中山大学孙逸仙纪念医院潘越教授合作研究设计制备了一种基于聚（乙烯醇）/琼脂糖水凝胶的自愈合摩擦纳米发电机（HS-TENG），具有高度可变形能力，并且力学和电学均可自愈合。结合光热转换活性聚多巴胺颗粒和多壁碳纳米管（MWCNTs）使HS-TENG在近红外光的照射下可在1分钟内实现物理自愈合。同时，将水活性动态硼酸盐键引入水凝胶中，可以在25℃下通过水雾来触发HS-TENG的化学自愈合。实验证明可拉伸且具双重自修复模式的HS-TENG作为柔性可穿戴设备可有效地收集人体运动能量，并且在各种复杂变形下，整流后的电能均可以作为可持续能源为LED灯充电。在单电极模式下，HS-TENG的电学输出在短路转移电荷（Q_sc）、开路电压（V_oc）和短路电流（I_sc）方面分别达到32nC、95V和1.5mA。值得注意的是即使在200%应变下HS-TENG电学输出依然保持稳定，这是由于MWCNTs均匀地分散在基质中并在HS-TENG中起导电填料的作用。这种可自修复柔性导电层既能够承受一定程度的变形又可以从损伤中自愈合，将逐渐成为可穿戴电子领域不可或缺的应用保障。相关成果以题目为“Highly efficient self-healable and dual responsive hydrogel-based deformable triboelectric nanogenerators for wearable electronics.”的研究论文发表在材料领域著名期刊《Journal of Materials Chemistry A》上。东华大学纤维材料改性重点国家实验室管清宝副研究员为该论文第一作者，苏州大学文震副研究员和中山大学潘越教授为该论文的共同通讯作者，东华大学游正伟教授和苏州大学孙旭辉教授为论文的共同作者。

Figure 1.自修复水凝胶的制备和表征。（a）通过冰冻/解冻法制备基于PVA/PDAP/MWCNT、琼脂糖和硼砂（Na₂B₄O₇·10H₂O）的水凝胶；（b）PDAP粒子的SEM和TEM照片；（c）不同PDAP含量的水溶液在2W/cm²的近红外光（NIR）辐照下随温度变化的趋势图；（d）不同组成的水凝胶在2W/cm²的NIR辐照下随温度变化的趋势图；（e）高拉伸水凝胶数码照片。

Figure 2. PVA/PDAP/MWCNT水凝胶的自修复性能和机理。水凝胶在手术刀切开之后采用水（a）和NIR（b）的自修复过程（标尺=25px）；（c）PVA/PDAP/MWCNT水凝胶采用水和NIR的自修复机理示意图；（d）PVA/PDAP/MWCNT水凝胶的自修复前后光学显微镜照片（标尺=0.5mm）；PVA/PDAP/MWCNT水凝胶采用水（e）和NIR（f）自修复不同时间后的拉伸测试。

Figure 3.自修复水凝胶摩擦纳米发电机（HS-TENG）的示意图和电学输出性能。（a）HS-TENG的层状结构；（b）HS-TENG的工作机制；（c）不同组成HS-TENG的电学输出性能；（d）拉伸前后的HS-TENG照片；（e）不同拉伸倍数HS-TENG的电学输出性能。

Figure 4. HS-TENG通过人体运动发电用于可穿戴设备的展示图。（a）自充电系统电路图；（b）HS-TENG向商品化电容（22µF）充电过程中充电电压与工作频率的关系曲线；（c）电容连接在电源管理模块和可穿戴电子设备上的充电图；HS-TENG可持续性地点亮15盏LED灯（d、e）和为电子手表充电（f）照片；（g、h）HS-TENG在各种形变情形下仍可以点亮LED灯的照片。

综上所述，HS-TENG作为一种能量装置可用于收集人体运动能量，即使在各种复杂变形的情况下，仍可以作为一种可持续能量为商用电子器件充电，而且HS-TENG具有高灵敏度、可拉伸性和愈合能力等优点。这项研究工作为设计具有双重自愈模式的TENG提供了一种可行的思路，大大扩展了TENG用于可穿戴电子设备的可靠性，并为电子设备的能源问题提高了解决方案。该工作被选为J. Mater. Chem. A, Issue 23, 2019封面报道文章（Front cover article）。

该工作获得了国家自然科学基金、中国博士后科学基金面上基金、上海市自然科学基金、江苏省自然科学基金、广东省科技项目、中央高校基本科研业务费专项资金、东华大学励志计划等项目资助。

论文链接：

Highly efficient self-healable and dual responsive hydrogel-based deformable triboelectric nanogenerators for wearable electronics. Journal of Materials Chemistry A 2019, 7 (23), 13948-13955. DOI: 10.1039/c9ta02711d. 

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/ta/c9ta02711d#!divAbstract

来源：东华大学材料学院

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