郑州大学橡塑模具团队《Nano Energy》：在超临界二氧化碳发泡（scCO2）技术制备高性能摩擦纳米发电机方面取得进展

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摩擦纳米发电机（TENG）通过摩擦起电和静电感应的耦合，将机械能转化为电能，受到人们的广泛关注。如何通过一种简单、绿色、可规模化的方法制备输出性能优异、稳定性高的摩擦纳米发电机一直是摩擦纳米发研究所面临的重大挑战。

鉴于此，郑州大学橡塑模具国家工程研究中心申长雨院士和刘春太教授团队提出了一种表面受限超临界二氧化碳(scCO₂)发泡法，制备了一种无皮层且多孔热塑性聚氨酯(TPU)薄膜，作为新型的正摩擦材料。通过压缩成型，将TPU薄膜夹在两个聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜之间。在发泡的过程中，PET膜减少了气体逸出速率，保证了TPU薄膜表面泡孔的成长，从而产生了具有特殊结构的无皮层多孔的TPU薄膜，增加了摩擦层的粗糙度和有效接触面积，大幅度提高了TENG的输出性能。通过对砂纸的复刻制备了与正摩擦电层形成互补结构的聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜，进一步提升了TENG的输出性能。

相关成果以“Skinless Porous Films Generated by Supercritical CO2 Foaming for High-Performance Complementary Shaped Triboelectric Nanogenerators and Self-Powered Sensors”为题，近期发表在国际权威期刊Nano Energy （DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106148）上。郑州大学橡塑模具国家研究中心青年拔尖人才米皓阳和董斌斌副教授为文章共同通讯作者，郑州大学橡塑模具国家研究中心2019级硕士研究生倪高磊为文章第一作者。

本研究开发的基于无皮层TPU发泡薄膜的摩擦纳米发电机具有良好的柔性、耐磨性、优异的输出性能、极强的性能稳定性等优点，输出性能随着表面泡孔尺寸的减小逐渐增大。研究还验证了接触分离式摩擦纳米发电机中多孔结构与表面互补结构在增强发电性能中的重要作用。制备的基于TPU多孔膜和PDMS膜的纳米发电机可获得260 V的最高输出电压和46 µA的输出电流。在外接3.3×10⁶ Ω负载时，实现了4.6 W/m²的最大功率密度，可作为许多小型电子设备的电源。

图1.超临界二氧化碳（scCO₂）表面受限发泡的原理图（a）和在不同的发泡工艺条件下的发泡材料基摩擦纳米发电机输出性能（b,c）及功率密度图（d）。

此外，制备的柔性摩擦纳米发电机具备优异的摩擦电性能和自供电传感性能。能够为电容器充电，自发点亮LEDs，驱动计算器等小型电子器件；还能够检测诸如拉伸、弯曲、扭转等变形，以及监测人行走步态的变化等。

图2.发泡材料基摩擦纳米发电机摩擦电性能和自供电传感性能。

该研究通过超临界二氧化碳（scCO₂）表面受限发泡法制备了可用做摩擦发电机正电极的性能优异的TPU多孔薄膜，为批量化制备高性能TENG提供了一种绿色、高效的新方法，并为设计具有互补结构的摩擦材料，提供了新见解。该研究得到了国家自然科学基金（12072325）和国家重点研究计划（2019YFA0706802）的资助。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106148

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