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

  近日，東華大學(xué)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(xué)文震副研究員、中山大學(xué)孫逸仙紀(jì)念醫(yī)院潘越教授合作研究設(shè)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(fā)電機（HS-TENG），具有高度可變形能力，并且力學(xué)和電學(xué)均可自愈合。結(jié)合光熱轉(zhuǎn)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(nèi)實現(xiàn)物理自愈合。同時，將水活性動態(tài)硼酸鹽鍵引入水凝膠中，可以在25℃下通過水霧來觸發(fā)HS-TENG的化學(xué)自愈合。實驗證明可拉伸且具雙重自修復(fù)模式的HS-TENG作為柔性可穿戴設(shè)備可有效地收集人體運動能量，并且在各種復(fù)雜變形下，整流后的電能均可以作為可持續(xù)能源為LED燈充電。在單電極模式下，HS-TENG的電學(xué)輸出在短路轉(zhuǎn)移電荷（Q_sc）、開路電壓（V_oc）和短路電流（I_sc）方面分別達到32nC、95V和1.5mA。值得注意的是即使在200%應(yīng)變下HS-TENG電學(xué)輸出依然保持穩(wěn)定，這是由于MWCNTs均勻地分散在基質(zhì)中并在HS-TENG中起導(dǎo)電填料的作用。這種可自修復(fù)柔性導(dǎo)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(lǐng)域不可或缺的應(yīng)用保障。相關(guān)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(fā)表在材料領(lǐng)域著名期刊《Journal of Materials Chemistry A》上。東華大學(xué)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(xué)文震副研究員和中山大學(xué)潘越教授為該論文的共同通訊作者，東華大學(xué)游正偉教授和蘇州大學(xué)孫旭輝教授為論文的共同作者。

Figure 1.自修復(fù)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(shù)碼照片。

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

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

Figure 4. HS-TENG通過人體運動發(fā)電用于可穿戴設(shè)備的展示圖。（a）自充電系統(tǒng)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(guān)系曲線；（c）電容連接在電源管理模塊和可穿戴電子設(shè)備上的充電圖；HS-TENG可持續(xù)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(fù)雜變形的情況下，仍可以作為一種可持續(xù)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(yōu)點。這項研究工作為設(shè)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(shè)備的可靠性，并為電子設(shè)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(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金面上基金、上海市自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金、廣東省科技項目、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金、東華大學(xué)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