【Nano Energy】抗冻、抗干燥和可拉伸的摩擦电材-Zhiwei Wang

01. 研究背景可穿戴传感器在人机交互、健康监测系统和人体运动监测领域蓬勃发展，传感材料的开发已成为可穿戴传感设备的重要研究方向之一。然而，大多数传感器电极材料是刚性和脆性的金属材料，柔韧性差且容易脱落，可能导致输出信号失真，极大限制了传感器在实际生活中的普及使用。此外，制备过程需要消耗时间和额外的能量。因此，开发一种简单且快速的策略，制备多功能的传感电极器材料具有重要的意义。02. 文章概述近日，王双飞院士团队成功制备了具有类共价氢键相互作用的可拉伸摩擦电材料。类共价氢键相互作用赋予了摩擦电材料拉伸性、抗冻性、抗干燥性、导电性和粘附性等多功能性。该材料作为电极材料，被组装成单电极摩擦电纳米发电机（S-TENG），可以在多重环境（多次大形变、高低温等）影响下稳定输出。与机械抓手集成，能够准确识别不同物品，为多种环境条件下实现触觉感知提供了技术基础。该成果以题为“Anti-freeze, anti-dehydrating and stretchable triboelectric materialsenabled by covalent-like hydrogen bond interaction”发表在《Nano Energy》上，博士后袁金霞和博士生邹雪莲为共同第一作者，王志伟副教授和聂双喜教授为通讯作者，秦影、刘涛、杜国立、罗斌、迟明超、刘艳华、邵宇正、赵佳敏和吴迪参与研究。03. 图文导读

1、摩擦电材料的设计本研究提出一种简单而快速的策略，利用木质素基大分子自催化体系（SL-Fe3+）提供能量，引发单体聚合成聚丙烯酰胺（PAM）链。随后，PAM链和海藻糖（Tr）形成类共价氢键相互作用，成功制备凝胶基多功能摩擦电材料。其中类共价氢键相互作用赋予了摩擦电材料拉伸性（2840%）、抗冻性（-18℃）和抗干燥性（40℃）等多功能性。该材料作为电极材料，被组装成单电极摩擦电纳米发电机，具有良好的应力灵敏度（0.39 kPa-1）和优秀的响应时间（79 ms）。图1 类共价氢键相互作用实现的摩擦电材料

2、摩擦电材料的制备图2展示了通过动态氧化还原反应快速制备摩擦电材料的过程。SL-Fe3+和APS之间的多重动态氧化还原反应构建了一个可逆的醌-儿茶酚氧化还原平衡环境，加速了APS分解为SO4-自由基和OH自由基，促使单体自聚合成PAM链。PAM链上的许多极性基团进而与Tr形成类共价氢键。

图2摩擦电材料的动态氧化还原快速制备

3、摩擦电材料的力学性能和自粘性摩擦电材料具有拉伸性和柔韧性，可以维持柔性TENG多次变形下的结构完整和稳定性。Tr能够与PAM聚合物链形成类共价氢键，辅以CNF作为凝胶网络增强剂，从而对凝胶网络起到动态修复的作用。与纯PAM水凝胶相比，CNF的存在提高了水凝胶的拉伸性能。且由Tr和CNF协同修复增强的CNF-SL / 0.8 Tr-PAM摩擦电材料表现了卓越的拉伸性能，极限拉伸强度高达228.5 kPa。其卓越的拉伸应变和应力远高于近年来有关木质素自催化PAM水凝胶的研究报道。

图3 类共价氢键相互作用对摩擦电材料机械性能和自粘合性能的增强。

4、摩擦电材料的抗冻性和抗脱水性摩擦电材料的失水通常会导致其机械性能和导电性能的严重退化，而Tr的存在能有效地减缓其失水速率。25℃放置七天后，其固含量仍高达67.4%。而无Tr的水凝胶因水分严重蒸发而变得干硬，固形物含量仅剩42.6%。出色的抗脱水性得益于Tr和PAM链之间形成了类共价氢键，从而对凝胶网络起到锁水保持的作用。将不同温度下的CNF-SL / 0.8Tr-PAM摩擦电材料作为电路的导体，成功点亮LED灯，进一步证明了在不同温度下电导率的稳定性。

图4 类共价氢键相互作用对摩擦电材料抗冻性和保水性的增强

5、柔性S-TENG的传感性能S-TENG具有类三明治结构，其中水凝胶密封在两层透明的聚丙烯酸酯（VHB）薄膜之间作为工作电极，并将金属铜线作为导线用于线路连接。对S-TENG多次进行对折、弯曲、扭曲及揉搓等复杂变形，处理前后的电输出信号基本保持稳定，为在复杂形变环境下的应用提供了可靠依据。S-TENG在不同频率下依然具有稳定的摩擦电输出性能，并通过10000次的循环实验证明了它在长时间工作的稳定性。图5 S-TENG的传感性能

6、柔性S-TENG的智能应用在黑暗等不同场景中，精准识别不同物体对工厂自动化和机器人技术发展具有重要意义。本研究将柔性S-TENG和机械抓手集成，以验证柔性TENG与机械部件联合在触觉感知中的应用效果。智能机械抓手成功实现对氟化乙烯丙烯共聚物球、食品包装和塑料瓶等众多不同材料的精确识别。智能抓手产生稳定的电信号连续输出波段，有望结合人工智能技术，实现对物体集的自供电精确识别，从而用于智能工厂、虚拟商超和智慧医院等未来大型基础设施的建设。图6 柔性S-TENG的智能应用

04. 结论本研究开发了一种简单而快速的策略，利用SL-Fe3+自催化系统提供能量，引发单体原位聚合成PAM链，进而与Tr形成类共价氢键网络，辅以CNF作为凝胶网络增强剂，在室温下可成功制备柔性摩擦电材料。类共价氢键网络赋予了摩擦电材料拉伸性（2840%）、抗冻性（-18℃）、抗脱水性（40℃）和粘附性（45.24 kPa）。这些独特的性质使其能够组装成具有摩擦电输出稳定性和耐久性的S-TENG。此外，基于S-TENG的智能机械抓手具备触觉感知能力，能够准确识别不同物品，为在人工智能时代实现无人工厂和虚拟超市等大型基础设施的建设提供了设计方案。这项研究为导电水凝胶的设计和实现提供了新的见解，并促进了可穿戴电子设备的广泛使用。原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110215