深圳大学黄龙彪课题组《Nano Energy》：4D打印摩擦纳米发电机

点击上方“蓝字” 一键订阅

近日，深圳大学黄龙彪、清华大学孙富春和香港理工大学郝建华课题组合作报道了一种基于4D打印技术的摩擦纳米发电机，以形状记忆聚合物—聚氨酯（PU）为主体材料，并使用熔融沉积建模技术（FDM）构建摩擦纳米发电机的主体结构，使得摩擦纳米发电机具备良好的形状记忆能力，极大地提高了摩擦纳米发电机的使用寿命。（Nano Energy, 2021, 84,105873）

摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator，TENG）可有效地将机械能转换为电能或电信号。随着TENG的不断发展，摩擦纳米发电机的结构越来越复杂且精密，而传统的制备工艺难以满足TENG的定制化、高效率且高精度的需求。此外，在实际应用中，TENG还需要进行高强度的摩擦或碰撞，这会导致摩TENG的性能出现衰减，从而影响TENG的使用寿命，并限制了TENG的实用性。通过对TENG现有的制备工艺进行大量的调研发现，目前尚无一种既能满足TENG高效率且高精度制备需求，还能提高TENG使用寿命的工艺。

本研究将4D打印技术引入用于制备TENG，利用形状记忆材料（PU）的特点以及FDM的优势，实现TENG复杂结构的制备以及使用寿命的提升。通过三维模型的设计以及对打印参数的控制，还能在摩擦层表面获得微米级的形貌。其中银纳米线（AgNWs）层作为4D打印TENG（4DP-TENG）的导电层，使用喷涂设备在基底表面喷涂AgNWs -乙醇溶液，将乙醇挥发后即可在基底表面获得均匀的AgNWs导电层（图1）。

图1 4D打印TENG的制备流程

在高强度且高频次的外力作用下，聚氨酯表面的微米级形貌会出现坍塌，整体结构将发生变形。由于聚氨酯具备形状记忆功能，因此将变形后的聚氨酯置于60 °C环境下进行热处理后，在固定相的作用下，聚氨酯的整体结构以及表面形貌都将得到恢复（图2）。

图2 聚氨酯结构以及表面形貌的形变-恢复过程

使用上述4DP-TENG的制备流程完成垂直接触-分离式TENG的制备，以PU与AgNWs分别作为摩擦层。并对垂直接触-分离式TENG的电学性能进行表征，其中开路电压、短路电流以及转移电荷量分别为39 V、5.9 μA、43 nC。当负载电阻为10 MΩ时，其最大输出功率密度达到56 mW/m²。此外4DP-TENG的形状记忆功能也得到了验证（图3）。

图3 4D打印垂直接触-分离式TENG

通过结构设计并使用4D打印技术制备了一款基于垂直接触-分离式TENG的集能鞋垫。在60kg的实验者正常行走时，该集能鞋垫能提供140 V的开路电压，19 uA的短路电流以及95 nC的转移电荷量。当负载电阻为7 MΩ时，最大输出功率密度能达到56 mW/m²。集能鞋垫的输出经过整流后，能直接电量28颗绿光LED，同时，集能鞋垫的形状记忆功能也得到了了验证（图4）。

图4 4D打印集能鞋垫

使用4D打印技术制备了六光栅盘结构的独立层式TENG，根据独立层式TENG输出信号的特征，设计了一个检测关节运动角度的传感器，该传感器可以根据TENG输出电信号的相位信息判断关节的关节角度。当传感器性能出现衰减时，输出信号的相位信息仍然不会受到影响。这种根据相位判断转动角度的检测方式将有效提高传感器的检测精度，避免因器件性能衰减带来的检测误差。同时，该传感器同样具备良好的形状记忆功能（图5、图6）。

图5 自供能传感器检测原理以及装配示意图

图6 不同关节处传感器的输出信号

以上工作以“4D-printed self-recovered triboelectric nanogenerator for energy harvesting and self-powered sensor”为题发表在Nano Energy（2021, 84,105873）上。深圳大学黄龙彪副教授和深圳大学硕士生韩建成为共同第一作者，通讯作者为黄龙彪副教授、清华大学孙富春教授和香港理工大学郝建华教授。该工作得到了国家自然科学基金项目（51973119）、广东省自然科学基金（2018A0303130060/2019A1515011566）、广东省自然科学基金资助项目（2019B1515120042）、深圳市科技创新委员会（JCYJ20170818101245583）、和PolyU PDFS（YW4N）的支持。

论文连接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285521001312

课题组博士后招聘信息

一、课题组信息

深圳大学黄龙彪研究员长期从事聚合物材料的微纳加工，并应用于光电与能源器件，目前以第一作者或共同作者在Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials, Nano Energy、Small、Nanoscale、ACS Applied Materials & Interfaces等国内外核心期刊上发表论文50余篇，长期担任Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials, Nano Energy、Small、Nanoscale、ACS Applied Materials & Interfaces等知名期刊审稿人。目前主持多项国家自然科学基金、广东省自然科学基金、深圳市科技创新委科研项目。

二、研究方向 

（1）软物质功能材料；

（2）聚合物维纳制造；

（3）绿色能源技术。 

三、长期岗位招聘信息

1. 岗位：博士后；招聘名额：不限；工作内容：聘期为2年，专职从事科学研究。

2. 岗位：硕士研究生；招聘名额：3位/年，其中学术硕士1位，专业硕士2位。 

四、博士后应聘条件

1. 国内外高校或研究机构博士毕业，获得高分子化学/物理/材料，、材料科学、应用物理、应用化学、电子等相关专业博士学位，欢迎有企业工作经历博士申请；

2. 在相关或相近研究领域已取得一定的研究成果（至少第一作者发表2篇SCI论文）；

3. 具有良好的学术道德和严谨的科学态度及团队协作精神，能够独立开展相关领域的前沿研究。

五、聘期待遇 

享受深圳大学博士后待遇，享受深圳大学相关社保及公积金。获聘的研究人员除了深圳大学的收入外，符合深圳市人才补助条件者可申请深圳市后备级人才，享有160万元住房补贴；符合海外人才条件人员可申请深圳市孔雀人才计划，享有160-200万住房补贴。可以在聘期内以项目负责人身份以深圳大学为依托单位申报国家自然科学基金及各级科研基金项目。符合学校人事部门政策要求的优秀研究人员可申请转为教师岗位。

六、应聘者请提供以下材料

1. 个人简历；

2.学历、学位证明复印件、以及代表性论文（一个PDF文件）；

3.其它能够说明科研能力的材料；

七、应聘程序 

1. 将应聘材料发到指定的邮箱；

2. 符合要求的应聘者择优面试，在面试期间，应聘人员可了解课题组的研究内容及进展；

3. 面试结束后，经学校审批后再通知是否同意聘用。招聘方会对申请人递交的应聘材料予以保密。 

八、联系人

联系人：黄老师

邮箱地址: [e-mail]

地址：广东省深圳市南海大道3688号实验楼228室

相关进展

高分子科技原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：[e-mail]

诚邀投稿

欢迎专家学者提供稿件（论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等）至[e-mail]，并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送，并同时发布在中国聚合物网上。

欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求，陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群，也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群，全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。

申请入群，请先加审核微信号PolymerChina （或长按下方二维码），并请一定注明：高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业），否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。

点

这里“阅读原文”，查看更多