湿度智能驱动器(致动器)是一种在水蒸气刺激下可以可逆地改变其形状/体积,将水汽能转化为机械能的智能材料。传统的湿度响应材料主要由天然纤维素、水凝胶和线性高分子等组成。这些体系通常具有较大的柔性和响应幅度(如弯曲曲率),但由于缺乏结构刚度,其驱动力往往不足。
图1 湿度响应COF驱动器的仿生构建策略示意
受生物结构(如动物手臂具有刚柔并济结构)的启发(图1),南开大学化学学院张振杰课题组引入刚性框架材料(如共价有机框架,COFs)来模拟内骨骼以增强材料的刚性和自支撑能力,同时引入柔性聚合物链(如聚乙二醇,PEG)来模拟肌肉组织以增强材料柔性并带来驱动功能,制备了一系列“刚柔并济”的湿度响应薄膜驱动器(PEG-COF-x)(图2)。
图2 PEG-COF-x驱动器的制备与表征
图3 PEG-COF-x驱动器驱动机理的研究
COF材料明晰有序的结构便于研究驱动器的湿度驱动机制。通过粉末衍射、红外光谱等表征发现PEG基团吸水溶胀使COF层间膨胀,脱水后使COF层收缩(图3e),从而引起材料的智能驱动响应。SEM电镜数据证明PEG-COF-x膜具有一侧致密,另一侧松散的不对膜结构(图3f),使得其可在均匀水汽环境中产生弯曲运动(图3a, 3b)。此外,得益于COFs对水汽的快速吸附和脱附行为(图3c, 3d),使得其在微小湿度变化下产生运动。因此,PEG-COF-x膜可以在水面上方进行自振荡。当PEG-COF-x膜垂直放置在水面上方时会受湿度刺激开始弯曲远离水面,位置的变化伴随着膜周围环境湿度的降低,到达临界位置时COF膜开始脱附水分子并恢复至原始竖直形状,这一过程可以循环往复实现连续自发运动(图4)。为了将自驱动产生的机械功进一步转化成电能,作者将PEG-COF-x湿度驱动器与压电聚偏氟乙烯(PVDF)复合,实现了机械能到电能的高效转化。在水面上方,该器件能够稳定的连续输出电能超过两天(图5)。
图4 PEG-COF-4驱动器的应用及自驱动性能研究
图5 湿度驱动发电机的组装与性能
综上所述,作者将刚性COF材料与柔性PEG结合,成功地制备了一类刚柔并济的COF膜驱动器。该策略显著改善了复合膜的力学性能和湿度响应性能。湿度驱动器进一步与压电材料耦合,可实现稳定连续的电能输出。这项研究为可持续自发能量转换设备的开发开辟了一条新道路。
该工作以“Engineering Covalent Organic Frameworks with Polyethylene Glycol as Self-Sustained Humidity-Responsive Actuators”为题发表在《Angewandte Chemie International Edition》上(DOI: 10.1002/anie.202216318)。南开大学化学学院研究生毛天晖、刘沼沂为共同第一作者,张振杰研究员为通讯作者。该研究得到了程鹏教授、国家自然科学基金面上项目和111计划的支持。
原文链接:https://doi.org/10.1002/anie.202216318
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