燕大马金铭/焦体峰教授、纳米能源所曹霞教授 Matter：一种基于光热效应的透明柔性摩擦纳米发电机用于防伪

2023-04-02 来源：高分子科技

柔性/可穿戴电子设备具有良好的灵活性、便携性和生物相容性，在健康监测、电子皮肤、人机交互、传感器等领域展现出潜在的应用前景。水凝胶/离子凝胶基柔性摩擦纳米发电机能够为柔性/可穿戴电子设备提供可形变的电源，有望拓宽此类设备的应用领域。凝胶类电极还具有广泛且可调的结构与性能，可构筑智能材料，促进信息加密/解密技术的发展。黑磷（BP）是一种新兴的二维纳米材料具有优异的生物相容性和光热性能，目前广泛应用于光热治疗，但在防伪和保密通信等信息安全领域尚未见报道。

有鉴于此，燕山大学青年教师马金铭/焦体峰教授、中科院北京纳米能源与系统研究所曹霞教授，构筑了一种具有优异光热性能的透明多功能复合水凝胶基摩擦纳米发电机（Hy-TENG），不仅能够收集人体运动机械能还可以实现信息防伪和保密通信。所制备的聚丙烯酰胺-琼脂糖-硼砂-单宁酸修饰黑磷（PAM-agar-Na₂B₄O₇-TABP）复合水凝胶电极，具有良好的导电（0.574 S/m）、拉伸性能（>1000%）和透光率。基于TABP的光热特性，红外光（IR）可以灵活调控Hy-TENG的温度，触发打印在A4纸上的感温油墨发生颜色变化，进而实现信息防伪和保密通信。相关成果以标题为“A transparent, flexible triboelectric nanogenerator for anti-counterfeiting based on photothermal effect”（DOI：10.1016/j.matt.2023.02.013）发表在国际著名期刊《Matter》上。燕山大学环境与化学工程学院博士研究生王冉为论文第一作者。此研究得到国家自然科学基金和河北省自然科学基金等资助支持。

图 1 PAM基水凝胶的制备流程

通过简单的方法制备了PAM-agar-Na₂B₄O₇-TABP复合水凝胶，其中AM单体聚合形成化学网络，agar与Na₂B₄O₇之间形成硼酸酯键，agar和TA中存在的大量的羟基基团倾向于形成氢键。所制备的复合水凝胶具有良好的生物相容性、透明度、导电性和拉伸性，可应用于电子皮肤和可穿戴电子设备等领域。

图2 Hy-TENG的电输出性能

利用PAM-agar-Na₂B₄O₇-TABP水凝胶和金字塔结构化的聚二甲基硅氧烷（PDMS）构建的单电极柔性Hy-TENG，具有良好的电输出性能，功率密度为149.8 mW?m^-2，能够驱动小型电子设备。由于BP的光热特性，还探究了不同TABP含量的Hy-TENG在不同IR照射时间下的输出电压变化，这种变化与BP的电子捕获能力和电子转移有关。此外，Hy-TENG具有优异的稳定性，在经过30 min的IR照射后仍能保持一定的电输出性能，这为TENG在高温环境中的潜在应用提供了保证。

图 3 Hy-TENG的保密通信和防伪应用。

通过结合多功能打印机和感温油墨探究了Hy-TENG用于保密通信和防伪的可行性。感温油墨的颜色受环境温度的影响，当温度达到墨水的可逆变色温度时，油墨的颜色会变浅甚至无色。采用多功能打印机打印防伪图案，高温油墨打印正确信息部分，低温油墨打印虚假信息部分。由于TABP具有光热特性，当Hy-TENG受到IR照射后温度升高，低温油墨打印的信息消失，从而实现对温度敏感图案的解密。而且感温油墨的颜色变化是可逆的，一旦IR光移开，低温油墨重新显示，信息被重新加密。

通过简单的策略制备了一种柔性、透明、具有光热效应的PAM-agar-Na₂B₄O₇-TABP导电复合水凝胶，其作为柔性电极组成的Hy-TENG表现出高的功率密度（149.8 mW m^-2），可以收集机械能并驱动小型电子设备。此外，结合BP的光热特性和多功能打印技术，研究了IR光诱导Hy-TENG升温引起的感温油墨的可逆颜色变化，从而完成信息的加密和解密，实现了BP在保密通信和防伪方面的探索。这项工作为多功能电子器件的设计和开发BP在防伪和保密通信等新领域的潜在应用提供了新思路。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.02.013

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（责任编辑：xu）

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