郑大申长雨院士、刘春太教授团队米皓阳教授课题组《Nano Energy》：超临界CO2发泡助力摩擦纳米发电机的绿色制造

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基于摩擦起电和静电感应原理的摩擦电纳米发电机(TENGs)由于简单的结构和优异的输出性能，在能量采集和自供能传感中得到了广泛的应用。目前多数TENG存在着诸如制备工艺复杂，成本高，耐久性差，难以实现规模化生产等问题。传统TENG往往将金属电极置于器件外侧，不仅影响了器件的柔性和舒适性，而且金属电极容易在长期使用中被氧化或腐蚀，导致稳定性降低。在接触分离式TENG中，通常需要使用垫片或弹簧来保持正负电材料间的空气间隙，这无疑增大了器件的厚度和灵活性；长期使用中垫片或弹簧的滑动也会造成TENG稳定性的降低。因此，克服以上问题，研发高输出、高稳定性的TENG绿色、规模化制备新方法是拓展其工程应用的关键。

郑州大学申长雨院士、刘春太教授团队米皓阳教授课题组在《Nano Energy》期刊上发表了题为“Green Fabrication of Double-sided Self-supporting Triboelectric Nanogenerator with High Durability for Energy Harvesting and Self-powered Sensing”的文章（DOI：10.1016/j.nanoen.2021.106827）。基于环保和可持续理念，研制了具有超高耐久性和稳定性的双面自支撑式摩擦纳米发电机(DS-TENG)。利用真空热压工艺和超临界二氧化碳(scCO₂)发泡技术，通过在内部嵌入不锈钢网电极，一次成型具有凹凸阵列表面结构的多孔热塑性聚氨酯(TPU)泡沫，并使用硅橡胶（Ecoflex）薄膜作为负极材料组装了纳米发电机与自供能柔性传感器。DS-TENG将电极包埋与发泡材料内，不仅有效保护了电极，而且还实现了复合泡沫两侧微结构的同时利用，使单电极器件达到了双电极器件的性能。而表面的凹凸阵列结构提供了电荷转移的空气层，起到了自支撑作用，显著提升了DS-TENG的柔性和稳定性。通过长期的酸碱环境处理和4Hz频率下高达50000次的循环测试，证实DS-TENG具有超高的耐久性和稳定性。最后，文章展示了DS-TENG作为自供能传感器在监测人类行走步态和步频，坐姿行为，以及协助拳击手训练方面的应用潜力。

图1 a) DS-TENG的制备工艺b)不同目数不锈钢网电极制备的TPU泡沫前后视图照片c) DS-TENG组件示意图d)单面和双面TENG电位分布仿真结果e) DS- TENG从完全压缩状态恢复到释放状态时摩擦电势变化的仿真结果f) I_sc, g) V_oc, h) Q_sc单面和双面TENG输出对比。

图2 a) I_sc, b) V_oc, c) Q_sc为使用不同目数不锈钢网格内嵌电极组装DS-TENGs的输出性能结果；d)内嵌不同目数不锈钢网制作的TPU复合泡沫在俯视图和横截面的SEM图像；e)DS-TENG有效接触面积(ECA)示意图；f) I_sc, g) V_oc, h) Q_sc为使用不同浸泡压力制备TPU复合泡沫组装的DS-TENGs的输出性能结果；i) 不同饱和压力下制备TPU复合泡沫的俯视图和横截面的SEM图像;j) DS-TENG的ECA示意图。

图3 a) DS-TENG的工作原理示意图；b) DS-TENG受压和释放过程的照片；c)不同压力下DS-TENG的I_sc结果拟合曲线；d)频率为2、3和4 Hz的DS-TENG的I_sc、V_oc和Q_sc统计结果；e) DS-TENG在12500 s内进行50000次循环的输出结果；f) DS-TENG在酸性和碱性溶液中超声浸泡的照片；g)酸碱处理后的I_sc测试结果和h) V_oc和Q_sc统计结果

图4 a-c)安装在鞋底的柔性DS-TENG实时监测人的步态、步频；d-f)将DS-TENG放置在椅子上，监测人的坐姿行为；g-i)在沙袋上安装DS-TENG，检测拳手的冲力、冲量、冲击时间。

论文第一作者为郑州大学橡塑模具国家工程中心博士研究生谢一兵。论文通讯作者为郑州大学橡塑模具国家工程中心米皓阳教授。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106827

作者团队简介：

米皓阳教授课题组长期从事高分子及其复合材料的成型加工方面研究，致力于多孔高分子材料的绿色制造与高性能化和功能化应用。

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