天工大杨光/闫静/庄旭品 AFM：环境温度响应、智能“开-关”切换的摩擦纳米发电机

2023-02-17 来源：高分子科技

摩擦纳米发电机（TENGs）可将周围的各种机械能转化为电能和信号，被广泛应用于可持续能源收集和自供电传感器。与传统电源相比，TENGs在重量、体积、人身安全、材料多样性和环境友好性方面都表现出巨大的优势，在电子皮肤、传感系统、软机器人和人机界面等多个领域都具有巨大的潜力。目前，引入智能聚合物材料开发多功能TENGs的一条简单有效的策略，对下一代自供电电子器件具有重要意义。然而，完全智能化的TENGs鲜有报道，特别是可逆自发响应外界刺激的相关研究。

近日，天津工业大学杨光教授、闫静副教授、庄旭品教授设计了一种由双向形状记忆聚氨酯（PU）驱动的可移动摩擦电层，进而开发出具有热触发可“开-关”功能和高摩擦电输出的智能TENG。该TENG器件可以根据环境温度变化自发打开/关闭工作模式，即在0 °C时打开，在60 °C时完全关闭。在工作状态，TENG最大输出功率密度达到了5.15 W m^?2。智能“开-关”和高输出功率使得智能TENG可作为传感元件和热驱动开关在可穿戴电子系统中的应用，该系统不仅可以监测寒冷环境中的人身体状况，还可以根据TENG的热响应特性实现按需加热，为开发下一代智能可穿戴电子产品开辟了新的选择。

【热触发可切换TENG的制备】

论文基于双向形状记忆聚合物PU、微米级尼龙纤维织物和聚酰亚胺（PI）纳米纤维薄膜制备了垂直接触分离模式的智能TENG。选择PI纳米纤维和尼龙织物作为TENG摩擦电层，是为了提高TENG的穿戴舒适性和摩擦电效应。同时，双向形状记忆PU与下摩擦层相连，利用其可逆应变成功实现摩擦层的可移动性。在PU的双向可逆应变下，下摩擦电层可以被驱动实现上下摩擦层的对齐与错位，从而按需开启/关闭TENG。这种“开关”的可切换过程是可多次重复的，以响应环境温度的变化，无需人工干预。

图1 智能可“开-关”切换的TENG结构和工作原理

【PU的热响应双向形状记忆行为】

为了设计PU的双向形状记忆效应，论文在PU分子网络中引入了结晶相、共价交联网络和多重氢键网络，其中结晶相为活动相，共价交联网络和多重氢键网络分别提供向永久形状和临时形状的驱动力。因此，在外部温度刺激下，结晶相的熔融与重结晶，PU样品展现出无应力双向形状记忆效应。PU最佳转变温度为0和60 °C，可逆性变在多次加热-冷却循环中相当稳定，最大可逆形变达到了24.2%。

图2 PU网络的编程程序和相应的结构变化

【TENG的智能“开-关”切换行为】

基于微/纳米纤维摩擦电表面的独特优势，所制备的TENG表现出优异的电输出性能开路电压（V_oc）为185 V、短路电流（I_sc）为36μA和峰值功率密度为5.15 W m^?2。当使用可逆应变高达24.2%的双向形状记忆PU来设计一个可移动的摩擦电层时，成功实现了热触发可“开-关”功能的智能TENG，即当底部尼龙织物与上PI膜垂直对齐时，30 kPa压力可引起两摩擦层带电，产生开路电压（V_oc）为185 V、短路电流（I_sc）为36μA和峰值功率密度为5.15 W m^?2（“开”状态）。一旦处于工作模式的TENG受到加热， PU结晶相熔化并开始收缩，逐渐将底部摩擦层拉出初始位置，最后两个摩擦层的完全错定位，从而导致产生的电能输出可以忽略不计（即“开→关”）。相反，在“关”状态下的器件暴露在寒冷环境中，随着温度的降低，PU的长度逐渐延长，从而将可移动的摩擦电层推到与上层垂直对齐的位置。此时，TENG逐渐恢复到“开”工作模式，在按压动作下再次出现电能输出（即“关→开”）。TENG器件可以在多个温度变化循环中稳定产生和消失电信号，没有明显的性能下降，验证了智能“开-关”TENG器件的可行性。

图3 TENG的“开-关”可切换行为及电学性能变化

【智能“开-关”TENG在可穿戴电子中的应用】

基于TENG热触发 “开-关”功能和优异的电输出性能，论文设计了一种基于智能TENG的智能可穿戴系统，该系统包括一个由python程序编写的信号处理模块，用于传感模块和加热模块之间的通信。按照设计，可切换智能TENG被附在鞋垫上，不仅用作传感元件，而且还用作智能热驱动开关。作为传感元件，TENG在“休眠”状态和工作模式的切换可以引发电信号消失与出现，可以使人们清楚地掌握人体运动状况。更重要的是，智能TENG可作为加热装置的驱动开关，在舒适环境中，TENG无信号发出，加热装置处于关闭状态；当人体处于冷环境中，TENG发出警报信号，加热装置打开进而补偿了人体核心区的热量损失，有效地避免了在寒冷环境下人体的体温过低；当人体在发热和损失重新平衡时，热刺激触发TENG关闭，进而加热装置关闭，以避免过热事件发生。

图4 “开-关”可切换TENG在智能可穿戴电子系统中的应用

以上工作近期以题为“Thermal-Triggered “On–Off” Switchable Triboelectric Nanogenerator Based on Two-Way Shape Memory Polymer”的论文发表在《Advanced Functional Materials》，天津工业大学杨光教授为第一兼通讯作者，硕士研究生李海琼为第二作者，闫静副教授、庄旭品教授为共同通讯作者。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202214001

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（责任编辑：xu）

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