陕科大王学川/刘新华/岳欧阳等 Adv. Energy Mater.：基于负泊松比结构的可穿戴高效能量收集摩擦纳米发电机

2024-04-05 来源：高分子科技

近日，陕西科技大学生物质与功能材料研究所王学川、刘新华、岳欧阳等报道了一种基于负泊松比结构的可穿戴高效能量收集摩擦纳米发电机。本研究制备的基于负泊松比超材料的摩擦纳米发电机（Auxetic-TENG），相比常用正泊松比材料可更高效吸收并转化机械能为电能，具有更优异的发电效率和检测灵敏度。相关研究成果发表于国际能源领域顶级期刊Advanced Energy Materials上。

图1 Auxetic-TENG的结构示意图

提高摩擦纳米发电机（TENG）的信号强度和功率密度已经得到了广泛的研究，涉及极性材料的选择及复杂的结构设计。而结构设计中静电纺丝、激光蚀刻和模板法等技术代表了该领域的重要方向，然而高昂的制备成本阻碍了TENG的广泛应用。负泊松比超材料是一类泊松比小于零的特殊材料，在外力作用下表现出与传统材料不同的力学行为，当沿着一个轴被压缩或拉伸时，其会沿着另一个轴膨胀。这种独特的拉胀性质为负泊松比材料在TENG中的潜在应用奠定了基础。
在本研究中，在预压缩后的负泊松比聚氨酯框架上包覆聚四氟乙烯负摩擦层，内嵌正泊松比的天然胶原聚集体泡沫正摩擦材料，构建整体为负泊松比特性的Auxetic-TENG。该制备策略利用了在外界压力下负泊松比超材料的收缩形变和内部正泊松比胶原聚集体的膨胀特性，显著增加外力作用下Auxetic-TENG的接触面积及机械能吸收并转化为电能的效率。经过测试，Auxtic -TENG的开路电压与传统的接触分离TENG相比提高了4倍，功率密度达到4.2 W m^?2。应用实验表明在各种压缩比和应力条件下，Auxetic-TENG可以保持优越的灵敏性和耐用性，突出其作为可穿戴自供电传感器用于综合医疗保健的潜力。

图2 Auxetic-TENG的工作机理示意图及压缩形变下的输出性能

图3 Auxetic-TENG弯曲形变下的输出性能

相关成果以“Auxetic structure-assisted triboelectric nanogenerators for efficient energy collection and wearably sensing”为题发表在Advanced Energy Materials上。感谢感谢国家自然科学基金（22308209、22278257），中国博士后基金项目（2023BSHEDZZ279）和陕西省博士后基金项目（2023M732159）等对本工作的大力支持！

原文链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202400212

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（责任编辑：xu）

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