四川大学张新星教授团队《Nano Energy》：用于自供电传感的超强韧、多级各向异性结构压电纳米发电机

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对于即将到来的物联网（IoT）时代，大规模传感器网络和系统需要无线、可持续和独立的运行模式。压电纳米发电机（PENG）是一种基于麦克斯韦位移电流收集机械能并直接感知外部机械刺激的新兴能源技术，为各种自供电的感知系统提供了可行性。然而，聚合物固有的弱压电效应导致所制备的PENG 的压电输出低且信号不稳定，这成为其在物联网中广泛应用的瓶颈。近年来，研究人员投入了大量精力开发具有改善压电性能的聚合物 PENG，但受限于在狭窄的长度尺度内有限的形态/结构调节，仍远未达到所需的压电性能。由于通常需要电极化后处理或结合静电纺丝技术来实现更高的压电输出，这种高能耗或复杂的制备工艺限制了其规模化应用，同时潜在的电击穿故障也限制了传感设备的设计与应用。迄今为止，具有高灵敏度和稳定压电输出的聚合物 PENGs 的规模化制备仍然是一个极大的挑战。

近日，四川大学张新星教授团队报道了一种非共价组装介导的固相拉伸策略，用于制备无需电处理的具有多级各向异性结构的高性能聚合物PENG。随着甘氨酸改性二硫化钼纳米片的应力诱导各向异性排列，2D纳米片和聚偏二氟乙烯（PVDF）偶极子之间的强分子间相互作用和限制可以积极地诱导PVDF在有利的方向发生自极化β相变。得益于此，未经额外电处理的纳米复合材料表现出优异的压电性能（d₃₃=24.9 pC N ^-1）和强韧机械性能（拉伸强度为213.3 MPa，韧性为85.8 MJ m ^-3），远超大多数报道的聚合物压电材料。利用这些优势，基于PENG的自供电生理传感器显示出高度敏感和稳定的输出信号，可满足不同应变大小的人体运动监测要求。这项工作为各种能量收集设备和自供电传感系统的大面积兼容和低能耗制造提供新路径。

图1：材料设计示意图

对于有机/无机杂化体系，必须考虑界面形态工程和合理的结构规划，以实现材料的多级各向异性结构（图1）。基于团队前期研究工作（Adv. Mater. 2019, 1900042; ACS Nano 2020, 14, 7055; Nat. Commun 2021, 1291; Small 2022, 18, 2104048），在不同组分间引入动态非共价相互作用可改进材料的加工性和界面相容性。本研究采用两亲性甘氨酸作为稳定剂将块状 MoS₂剥离成单层或少层 Gly-MoS₂纳米片。MoS₂纳米片上甘氨酸分子的原位共结晶在剥离过程中占主导地位，不仅赋予其激活的面外压电性，而且赋予它们丰富的极性表面，有利于它们在聚合物基质中的非共价组装（图2）。

 
图2：非共价组装机理表征

动态交联界面的构建为 PVDF 分子链和 Gly-MoS₂纳米片在固相拉伸过程中的各向异性排列提供有效的链迁移率和驱动力，从而赋予所得纳米复合材料具有显着的机械增强（图3）.

 
图3：多级各向异性结构及力学性能表征长程各向异性结构的构建充分利用了Gly-MoS ₂纳米片的面外压电性，同时各向异性二维纳米片的极性表面可以积极地相互作用并锁定PVDF偶极子，从而诱导聚合物基质形成几乎纯的且排列良好的电活性β相 (F_β = 98.42%, X_β= 57.97%）。得益于高度排列的有机和无机压电相，所得纳米复合材料无需额外的电处理即可表现出优异的压电性能（d₃₃ = 24.9 pC N ^-1）（图4）。图4：自极化相变及压电性能表征

上述工作近期以“Ultrarobust, Hierarchically Anisotropic Structured Piezoelectric Nanogenerators for Self-Powered Sensing”为题发表在《Nano Energy》上。论文第一作者为四川大学高分子研究所博士生黄鑫，通讯作者为高分子材料工程国家重点实验室张新星教授，本研究工作得到国家自然科学基金（52173112、51873123），国家高层次人才特殊支持计划青年项目和四川省杰出青年科学基金（2021JDJQ0017）资助支持。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107379

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