【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】摩擦納米發(fā)電機(TENG)具有結(jié)構(gòu)簡單多樣、輸出穩(wěn)定、能量轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點，為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)(loT)的持續(xù)運行提供了有效的能源供給。以導電水凝膠作為電極材料的水凝膠基摩擦納米發(fā)電機(H-TENG)具有較好的柔性與拉伸性能，在拉伸、彎曲、折疊、按壓等復(fù)雜狀態(tài)下仍能正常工作，在柔性可穿戴設(shè)備領(lǐng)域和大形變自供能應(yīng)用中具有獨特優(yōu)勢。
傳統(tǒng)水凝膠普遍存在力學強度差的問題，導致現(xiàn)有的H-TENG面臨著容易遭到物理損壞、安全使用壽命短等困境，自修復(fù)水凝膠材料為延長TENG的使用壽命提供了思路。但在實際操作中，仍然存在自修復(fù)TENG力學強度不足，斷面難以精準對接，修復(fù)時間長，修復(fù)后的性能下降等問題。如何提高H-TENG的使用壽命依然是該領(lǐng)域研究面臨的一個重大挑戰(zhàn)。
中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所智能高分子材料團隊致力于功能與智能高分子水凝膠的研究。近日，智能高分子材料團隊陳濤研究員、魏俊杰博士與寧波大學王文欽副教授合作，基于Hofmeister效應(yīng)，利用溶劑置換的方法制備了高強度抗撕裂導電水凝膠(BRCH)和以此構(gòu)建的新型摩擦納米發(fā)電機(BRCH-TENG)，有效增強了水凝膠的抗外力破壞能力，從根本上延長了H-TENG的安全使用壽命。該工作以“Breakage-resistant Hydrogel Electrode Enables Ultrahigh Mechanical Reliability for Triboelectric Nanogenerators”為題發(fā)表在Chemical Engineering Journal上(DOI：10.1016/j.cej.2022.140261)。
該工作通過溶劑置換將有機凝膠中的二甲亞砜溶劑置換為電解質(zhì)溶液，制備得到了高力學強度抗撕裂導電水凝膠。在溶劑置換過程中，隨著電解質(zhì)溶液的加入，淀粉高分子網(wǎng)絡(luò)在Hofmeister效應(yīng)下發(fā)生纏繞，形成物理交聯(lián)的空間網(wǎng)絡(luò)(圖1)，使水凝膠的力學性能得到增強。另一方面，通過引入電解質(zhì)溶液，大量自由離子進入水凝膠網(wǎng)絡(luò)中，顯著提高了BRCH的導電性。BRCH具有優(yōu)異的力學性能，其最大壓縮應(yīng)力達到5.6 MPa，斷裂能達到7.45 kJ/m2, 抗穿刺應(yīng)力達到15 MPa，顯著高于傳統(tǒng)水凝膠電極。利用該水凝膠構(gòu)建的BRCH-TENG具有極佳的力學可靠性，在遭受錘擊等外力沖擊后依然能夠穩(wěn)定地輸出能量，實現(xiàn)了BRCH-TENG在高沖擊環(huán)境下的穩(wěn)定工作，為改善H-TENG的環(huán)境適應(yīng)性，從根本上延長其物理使用壽命提供了可行的新思路和新方法。同時，該BRCH-TENG在步幅識別、隱秘通訊等領(lǐng)域都展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景(圖2)。
該工作得到了國家重點研發(fā)計劃(2022YFB3200071)、國家自然科學基金(52103152)、中國博士后科學基金(2021M690157、2022T150668)、寧波市自然科學基金(2121J206、20221JCGY010301)、中德合作國際交流項目(M-0424)以及王寬誠教育基金(GJTD-2019-13)等項目的支持。（智能高分子材料團隊 李睿）
圖1 BRCH-TENG的制備及應(yīng)用
圖2 BRCH-TENG在高沖擊環(huán)境中的應(yīng)用
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