香港大学徐立之团队 JMCA：兼顾高机械强度及温和修复条件的高鲁棒性摩擦纳米发电机

2023-08-24 来源：高分子科技

摩擦纳米发电机在运行过程中需频繁遭受机械力冲击及破坏，这对器件的耐久性及鲁棒性提出了挑战。解决方法之一是使用自修复高分子构筑具有损伤自愈能力的纳米发电机。然而，多数自修复纳米发电机无法兼顾修复性能和本体强度。一般来说，基于自发型自修复高分子的器件无需额外刺激即可实现损伤修复，但其较差的本体强度却导致了器件的耐冲击性和寿命降低。相比之下，基于触发型自修复高分子的器件常呈现出更优秀的机械性能，但其修复过程需要外界刺激的触发。目前常用的修复刺激，如热、红外、紫外等在纳米发电机的多数使用场景中并不方便获得。另外，出于安全考虑，上述刺激也不适用于可穿戴纳米发电机的原位修复。因此，发展兼顾高机械强度及温和自修复条件的纳米发电机，实现器件便捷安全的自修复具有重要的实用意义。

香港大学机械工程系徐立之团队报道了一种能在温和及易得的刺激条件下进行损伤修复的高强度摩擦纳米发电机。文章首先制备了一种包含Ca²⁺-邻苯二酚配位作用的聚氨酯脲，并将其命名为THP。THP的拉伸强度为11.6 MPa，并可通过改变钙离子含量对其进行调节(5-19 MPa)，该强度优于大部分已报道的自修复纳米发电机的构筑材料。此外，THP 能利用生活中随处可见的水或酒类饮料的触发进行损伤修复，修复效率约为90%。文章进一步基于THP构筑了自修复摩擦纳米发电机（THP-TENG）,修复过后的器件输出性能与损伤前的性能相当。对修复后的器件进行 8000次的循环测试后，其输出性能仍保持稳定。整个器件的修复过程类似于用创可贴处理伤口，具有温和、安全及便捷的特点。此外，对于损坏严重的器件，可通过溶液法对其进行回收再利用。基于THP-TENG,文章随后制备了一种可同时监测触觉信号及肌电信号的传感器并探索其在可穿戴电子中的应用。

图1.THP的机械性能及自修复性能。a)不同钙离子添加量的THP样品的拉伸应力-应变曲线。b）不同修复条件下THP的修复率。c）THP与其它已报道的自修复TENG构筑材料的修复率及拉伸强度对比。

图2.THP-TENG的自修复及可回收性能。a)THP-TENG的运行机理。b）THP-TENG的器件修复过程。c）THP-TENG的输出性能修复。d)修复后的THP-TENG的运行稳定性。e）THP-TENG的循环回收过程。

图3.THP-TENG对触觉及电生理信号的感知性能。a)THP-TENG基传感器的器件结构。b）粘贴在前臂内侧的THP-TENG基传感器。c）手指在器件表面滑动时传感器内不同电极产生的摩擦电信号。d)三种不同手势下贴于前臂内侧和外侧的两传感器监测到的肌电信号。

这项研究以“Robust and durable triboelectric nanogenerators enabled by mechanically strong and mildly healable polymer”为题发表在《Journal of Materials Chemistry A》上。香港大学机械工程系助理教授徐立之为论文通讯作者，博士后徐伟为论文第一作者（目前就职于之江实验室），参与该论文的还有博士生刘红震及何慧敏。该研究得到了香港理工大学郝建华教授及黄文聪博士的合作支持。

原文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/ta/d3ta02340k

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（责任编辑：xu）

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