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    東華大學游正偉教授團隊JMCA封面:可任意變形且具雙重自修復模式的摩擦納米發電機
    2019-06-26  來源:中國聚合物網

      隨著現代生活節奏的加快,可穿戴設備因其易攜帶、易與電子產品接入、及時獲取實時信息等優點越來越受到人們的關注。然而,該領域仍面臨一個比較大的挑戰是缺乏可為這些可穿戴設備供電的柔性電源。基于摩擦發電和靜電荷誘導原理的摩擦納米發電機(TENG)近年來作為一種新型的發電設備取得了長足的發展和進步。TENG可以收集諸如步行等機械能,進而轉化為電能,為可穿戴設備提供了一種可持續發展且環保的電源。但TENG在長期使用過程中難免會出現摩損甚至斷裂等情況,這將大大影響TENG的有效使用。因此設計一種可以自修復的TENG,延長其使用壽命是非常有必要的。

      近日,東華大學纖維材料改性重點國家實驗室游正偉教授團隊與蘇州大學文震副研究員、中山大學孫逸仙紀念醫院潘越教授合作研究設計制備了一種基于聚(乙烯醇)/瓊脂糖水凝膠的自愈合摩擦納米發電機(HS-TENG),具有高度可變形能力,并且力學和電學均可自愈合。結合光熱轉換活性聚多巴胺顆粒和多壁碳納米管(MWCNTs)使HS-TENG在近紅外光的照射下可在1分鐘內實現物理自愈合。同時,將水活性動態硼酸鹽鍵引入水凝膠中,可以在25℃下通過水霧來觸發HS-TENG的化學自愈合。實驗證明可拉伸且具雙重自修復模式的HS-TENG作為柔性可穿戴設備可有效地收集人體運動能量,并且在各種復雜變形下,整流后的電能均可以作為可持續能源為LED燈充電。在單電極模式下,HS-TENG的電學輸出在短路轉移電荷(Qsc)、開路電壓(Voc)和短路電流(Isc)方面分別達到32nC、95V和1.5mA。值得注意的是即使在200%應變下HS-TENG電學輸出依然保持穩定,這是由于MWCNTs均勻地分散在基質中并在HS-TENG中起導電填料的作用。這種可自修復柔性導電層既能夠承受一定程度的變形又可以從損傷中自愈合,將逐漸成為可穿戴電子領域不可或缺的應用保障。相關成果以題目為“Highly efficient self-healable and dual responsive hydrogel-based deformable triboelectric nanogenerators for wearable electronics.”的研究論文發表在材料領域著名期刊《Journal of Materials Chemistry A》上。東華大學纖維材料改性重點國家實驗室管清寶副研究員為該論文第一作者,蘇州大學文震副研究員和中山大學潘越教授為該論文的共同通訊作者,東華大學游正偉教授和蘇州大學孫旭輝教授為論文的共同作者。

    Figure 1.自修復水凝膠的制備和表征。(a)通過冰凍/解凍法制備基于PVA/PDAP/MWCNT、瓊脂糖和硼砂(Na2B4O7·10H2O)的水凝膠;(b)PDAP粒子的SEM和TEM照片;(c)不同PDAP含量的水溶液在2W/cm2的近紅外光(NIR)輻照下隨溫度變化的趨勢圖;(d)不同組成的水凝膠在2W/cm2的NIR輻照下隨溫度變化的趨勢圖;(e)高拉伸水凝膠數碼照片。

    Figure 2. PVA/PDAP/MWCNT水凝膠的自修復性能和機理。水凝膠在手術刀切開之后采用水(a)和NIR(b)的自修復過程(標尺=25px);(c)PVA/PDAP/MWCNT水凝膠采用水和NIR的自修復機理示意圖;(d)PVA/PDAP/MWCNT水凝膠的自修復前后光學顯微鏡照片(標尺=0.5mm);PVA/PDAP/MWCNT水凝膠采用水(e)和NIR(f)自修復不同時間后的拉伸測試。

    Figure 3.自修復水凝膠摩擦納米發電機(HS-TENG)的示意圖和電學輸出性能。(a)HS-TENG的層狀結構;(b)HS-TENG的工作機制;(c)不同組成HS-TENG的電學輸出性能;(d)拉伸前后的HS-TENG照片;(e)不同拉伸倍數HS-TENG的電學輸出性能。

    Figure 4. HS-TENG通過人體運動發電用于可穿戴設備的展示圖。(a)自充電系統電路圖;(b)HS-TENG向商品化電容(22μF)充電過程中充電電壓與工作頻率的關系曲線;(c)電容連接在電源管理模塊和可穿戴電子設備上的充電圖;HS-TENG可持續性地點亮15盞LED燈(d、e)和為電子手表充電(f)照片;(g、h)HS-TENG在各種形變情形下仍可以點亮LED燈的照片。

      綜上所述,HS-TENG作為一種能量裝置可用于收集人體運動能量,即使在各種復雜變形的情況下,仍可以作為一種可持續能量為商用電子器件充電,而且HS-TENG具有高靈敏度、可拉伸性和愈合能力等優點。這項研究工作為設計具有雙重自愈模式的TENG提供了一種可行的思路,大大擴展了TENG用于可穿戴電子設備的可靠性,并為電子設備的能源問題提高了解決方案。該工作被選為J. Mater. Chem. A, Issue 23, 2019封面報道文章(Front cover article)。

      該工作獲得了國家自然科學基金、中國博士后科學基金面上基金、上海市自然科學基金、江蘇省自然科學基金、廣東省科技項目、中央高校基本科研業務費專項資金、東華大學勵志計劃等項目資助。

      論文鏈接:

      Highly efficient self-healable and dual responsive hydrogel-based deformable triboelectric nanogenerators for wearable electronics. Journal of Materials Chemistry A 2019, 7 (23), 13948-13955. DOI: 10.1039/c9ta02711d. 

      https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/ta/c9ta02711d#!divAbstract

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