摩擦電納米發(fā)電機（TENG）能夠?qū)C械能轉(zhuǎn)化為電能，具有輕便、成本低和性能優(yōu)良的特點，自從2012年被發(fā)現(xiàn)以來，在自供能可穿戴器件、海洋能源收集、健康監(jiān)測等領域有著廣闊的應用前景。舉例來說，它可以將人體走路時膝蓋彎曲或者手指彎曲產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)化為電能，甚至可以收集水滴移動的機械能。但是，目前所有的TENG器件是基于固-固、固-液或者液-液之間設計的，其性能常常受到周圍環(huán)境、摩擦層的相對位置以及器件壽命的影響。為解決這一問題，新加坡南洋理工大學的Pooi?See Lee團隊首次設計了基于氣-固界面的自修復摩擦電納米發(fā)電機，該器件能牢固的粘結(jié)在各類物體表面，有望用于機器人觸覺傳感和帕金森癥監(jiān)測等。該研究以題為“Self-healable sticky porous elastomer for gas-solid interacted power generation”發(fā)表在《Science?Advances》上。
【PDPU彈性體的制備】
作者制備了如圖1所示的尿素-肟-氨基甲酸酯的多孔超分子彈性體（簡稱PDPU）。氣孔在PDPU內(nèi)部均勻分布，且不影響PDPU的表面平整度，這也造就了PDPU在玻璃、不銹鋼、紙板表面均有良好的粘附力。此外PDPU獨特的化學結(jié)構(gòu)也造就了它極好的自修復性能以及機械性能。無論拉伸至500%還是壓縮至60%，PDPU都能回到原始的狀態(tài)，展示了極好的拉伸和壓縮性能。
【TENG器件的輸出原理】
隨后，作者將Ag納米線作為上下電極，與多孔PDPU組裝成了TENG器件。多孔PDPU基TENG展示出3.8V的輸出電壓、17 nC的轉(zhuǎn)移電荷量和35 nA·cm?2的電荷密度，遠高于致密PDPU制備的TENG器件（0.2 V，2.5 nC和1.2 nA·cm?2）和多孔PDMS基TENG器件。這也說明多孔PDPU內(nèi)部的氣-固界面是器件的能量來源。同時，靜態(tài)表面電勢測試表明，PDPU的表面電勢為-2.36 kV，遠低于現(xiàn)有的常用摩擦層負極材料PDMS和PTFE（0.23 kV）
作者認為，多孔PDPU基TENG工作原理是基于氣孔的壓縮和恢復過程中，氣體的體積變化會引起PDPU界面的電荷密度發(fā)生變化，這表現(xiàn)出在壓縮和恢復過程中有電壓的產(chǎn)生。
【PDPU基TENG器件輸出性能的影響參數(shù)】
作者隨后探究了PDPU內(nèi)部的氣孔大小、厚度以及氣體成分對于TENG器件輸出性能的影響。結(jié)果表明氣孔大小為1mm、PDPU厚度為4 mm且氣體成分為空氣時，器件的輸出電壓最高。這是由于合適的氣孔大小和PDPU的厚度能夠保證在壓縮過程中氣孔的形變以及氣固界面達到最優(yōu)。同時空氣中的帶電顆粒對于器件的輸出電壓起了決定性的作用。
【PDPU基TENG器件的自修復性能】
該TENG器件另一個突出的性能是具有優(yōu)異的自修復性能。將器件切成兩塊后，在100 oC處理4h，切口明顯消失。且輸出電壓與未處理前沒有明顯變化。此外，在對器件拉伸至1200%的形變再恢復后，器件的輸出性能仍未降低。說明該器件在極端拉伸條件下仍能保持較好的穩(wěn)定性。此外，該器件在270 s內(nèi)能把10?μF的電容器充電到2 V，該電容器能點亮幾十盞LED燈，顯示出優(yōu)異的性能。
【PDPU基TENG器件的應用】
此外，該TENG器件還可以作為自供能傳感器監(jiān)測人體不同部位的運動。在不同運動模式下，包括彎曲、扭轉(zhuǎn)以及拉伸，器件均能表現(xiàn)出良好的信號響應。此外，該器件的輸出電壓與壓力具有良好的線性關(guān)系，有望用于機器人的觸覺傳感。另外，該器件還能區(qū)別正常步伐和拖動步伐（帕金森癥患者），未來有望用于健康監(jiān)測領域。
【總結(jié)】
作者設計并制備了基于氣-固界面的新型摩擦電納米發(fā)電機。該器件具有優(yōu)異的自修復性能和力學性能，且能夠粘附到各類物體表面。未來有望作為自供能傳感器用于機器人觸覺傳感以及人類健康監(jiān)測等。
原文鏈接：
https://advances.sciencemag.org/content/6/29/eabb4246.abstract
