【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單多樣、輸出穩(wěn)定、能量轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點(diǎn)，為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)(loT)的持續(xù)運(yùn)行提供了有效的能源供給。以導(dǎo)電水凝膠作為電極材料的水凝膠基摩擦納米發(fā)電機(jī)(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(dú)特優(yōu)勢(shì)。
傳統(tǒng)水凝膠普遍存在力學(xué)強(qiáng)度差的問(wèn)題，導(dǎo)致現(xiàn)有的H-TENG面臨著容易遭到物理?yè)p壞、安全使用壽命短等困境，自修復(fù)水凝膠材料為延長(zhǎng)TENG的使用壽命提供了思路。但在實(shí)際操作中，仍然存在自修復(fù)TENG力學(xué)強(qiáng)度不足，斷面難以精準(zhǔn)對(duì)接，修復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，修復(fù)后的性能下降等問(wèn)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(gè)重大挑戰(zhàn)。
中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所智能高分子材料團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)陳濤研究員、魏俊杰博士與寧波大學(xué)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(qiáng)度抗撕裂導(dǎo)電水凝膠(BRCH)和以此構(gòu)建的新型摩擦納米發(fā)電機(jī)(BRCH-TENG)，有效增強(qiáng)了水凝膠的抗外力破壞能力，從根本上延長(zhǎng)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(guò)溶劑置換將有機(jī)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(xué)強(qiáng)度抗撕裂導(dǎo)電水凝膠。在溶劑置換過(guò)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(xué)性能得到增強(qiáng)。另一方面，通過(guò)引入電解質(zhì)溶液，大量自由離子進(jìn)入水凝膠網(wǎng)絡(luò)中，顯著提高了BRCH的導(dǎo)電性。BRCH具有優(yōu)異的力學(xué)性能，其最大壓縮應(yīng)力達(dá)到5.6 MPa，斷裂能達(dá)到7.45 kJ/m2, 抗穿刺應(yīng)力達(dá)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(xué)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(shí)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(zhǎng)其物理使用壽命提供了可行的新思路和新方法。同時(shí)，該BRCH-TENG在步幅識(shí)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2022YFB3200071)、國(guó)家自然科學(xué)基金(52103152)、中國(guó)博士后科學(xué)基金(2021M690157、2022T150668)、寧波市自然科學(xué)基金(2121J206、20221JCGY010301)、中德合作國(guó)際交流項(xiàng)目(M-0424)以及王寬誠(chéng)教育基金(GJTD-2019-13)等項(xiàng)目的支持。（智能高分子材料團(tuán)隊(duì) 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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