柔性摩擦纳米发电机（TENG）因其可直接从人体运动中收集机械能的特性，在可穿戴电子、健康监测和智能交通等领域展现出巨大潜力。具有三维多孔结构的聚合物材料因其高比表面积、优异压缩性和可设计性，成为优化TENG性能的理想选择。热塑性聚氨酯（TPU）凭借其优异的弹性和机械强度，是构建多孔摩擦材料的理想基体，但其固有电导率不足限制了能量转换效率。为了提高其摩擦电性能，例如通过表面改性来增强表面粗糙度和表面积（如激光/化学蚀刻、等离子体处理、化学电镀和模板法等）以及在聚合物中引入各种填料以改善表面电气化和介电性能（如碳纳米管（CNTs）、碳黑（CB）、石墨烯、MXene、导电聚合物和金属颗粒等）。然而，许多报道的TENG设备由于成本高、制造工艺复杂以及适用性不足，在大规模生产中仍然受限。因此，如何通过低成本、可规模化的方法制备兼具高弹性和导电性的多孔摩擦电材料，仍是该领域面临的关键挑战。

  福建理工大学陈汀杰研究员团队，通过盐模板法制备了一种CNT修饰的TPU@CNT海绵，这种工艺避免了复杂的化学修饰，且可通过调整盐模板比例（优化值为TPU-CNT/NaCl=1:1.5）精确控制孔隙率和孔壁厚度。该材料兼具高压缩性（80%应变）、结构稳定性和导电性，可作为TENG的摩擦层和电极一体化材料。通过双接触起电效应（表面接触与孔隙内自接触协同），器件在100 MΩ负载下实现了252 V开路电压、38 μA短路电流和1.642 W/m2的功率密度，性能显著优于传统TPU基TENG。材料的摩擦电性能提升源于独特的双接触起电机制。通过设计接触-分离模式TENG器件，研究人员量化了表面接触与体积自接触的协同贡献：当TPU@CNT海绵与微结构PDMS薄膜配对时，表面凹凸结构对应，产生初始界面电荷（177V）；而在压缩阶段，孔壁变形促使内部裸露的CNT与TPU基体接触，触发二次电荷转移（提升至252V）。这一现象可类比为在单一器件中实现了成千上万个微尺度TENG的并联效应。电学测试表明，最佳CNT含量为6wt%，此时材料既保持结构完整性（8000次循环后应力保持率98.3%），又形成完善的导电网络。值得注意的是，引入的CNT不仅作为电荷载体，其表面羧基和羟基还通过与TPU链的氢键作用增强了界面粘附力，这是持久耐用的关键。该TENG可驱动738个LED阵列，为电容器充电，并作为自供电传感器精准监测人体运动。在智能交通中，其嵌入道路后可利用车辆碾压能量激活交通信号灯，同时实现桥梁超载监测。这项工作为制备高性能多孔摩擦电材料提供了可扩展方案，推动了自供电系统在柔性电子与智慧城市中的应用。

图1 TPU@CNT海绵制备过程、机理及其在自供电传感器和智能交通系统中的应用

图2 TPU@CNT海绵的表征及力学性能

图3 TPU@CNT海绵的压阻传感性能

图4 TC-TENG三种接触模式的摩擦电性能、Comsol仿真、内部孔隙微电容接触示意图

图5 TC-TENG的摩擦电性能及自供电传感

图6 基于TC-TENG的人体传感及自供电传感

图7 TC-TENG应用于智慧交通领域

  相关工作近期以“Hierarchical porous TPU@CNT sponge for high-performance triboelectric nanogenerators via dual contact electrification and self-powered sensing applications”为题发表在Chemical Engineering Journal期刊上。论文第一作者为福建理工大学材料科学与工程学院研究生王茵茵。论文通讯作者为福建理工大学陈汀杰研究员、彭响方教授和林肇星副教授。

  文献链接：Hierarchical porous TPU@CNT sponge for high-performance triboelectric nanogenerators via dual contact electrification and self-powered sensing applications. Chemical Engineering Journal 521 (2025) 166530.

  https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894725073681