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天工大楊光/閆靜/莊旭品 AFM：環境溫度響應、智能“開-關”切換的摩擦納米發電機

2023-02-17 來源：高分子科技

摩擦納米發電機（TENGs）可將周圍的各種機械能轉化為電能和信號，被廣泛應用于可持續能源收集和自供電傳感器。與傳統電源相比，TENGs在重量、體積、人身安全、材料多樣性和環境友好性方面都表現出巨大的優勢，在電子皮膚、傳感系統、軟機器人和人機界面等多個領域都具有巨大的潛力。目前，引入智能聚合物材料開發多功能TENGs的一條簡單有效的策略，對下一代自供電電子器件具有重要意義。然而，完全智能化的TENGs鮮有報道，特別是可逆自發響應外界刺激的相關研究。

近日，天津工業大學楊光教授、閆靜副教授、莊旭品教授設計了一種由雙向形狀記憶聚氨酯（PU）驅動的可移動摩擦電層，進而開發出具有熱觸發可“開-關”功能和高摩擦電輸出的智能TENG。該TENG器件可以根據環境溫度變化自發打開/關閉工作模式，即在0 °C時打開，在60 °C時完全關閉。在工作狀態，TENG最大輸出功率密度達到了5.15 W m^?2。智能“開-關”和高輸出功率使得智能TENG可作為傳感元件和熱驅動開關在可穿戴電子系統中的應用，該系統不僅可以監測寒冷環境中的人身體狀況，還可以根據TENG的熱響應特性實現按需加熱，為開發下一代智能可穿戴電子產品開辟了新的選擇。

【熱觸發可切換TENG的制備】

論文基于雙向形狀記憶聚合物PU、微米級尼龍纖維織物和聚酰亞胺（PI）納米纖維薄膜制備了垂直接觸分離模式的智能TENG。選擇PI納米纖維和尼龍織物作為TENG摩擦電層，是為了提高TENG的穿戴舒適性和摩擦電效應。同時，雙向形狀記憶PU與下摩擦層相連，利用其可逆應變成功實現摩擦層的可移動性。在PU的雙向可逆應變下，下摩擦電層可以被驅動實現上下摩擦層的對齊與錯位，從而按需開啟/關閉TENG。這種“開關”的可切換過程是可多次重復的，以響應環境溫度的變化，無需人工干預。

圖1 智能可“開-關”切換的TENG結構和工作原理

【PU的熱響應雙向形狀記憶行為】

為了設計PU的雙向形狀記憶效應，論文在PU分子網絡中引入了結晶相、共價交聯網絡和多重氫鍵網絡，其中結晶相為活動相，共價交聯網絡和多重氫鍵網絡分別提供向永久形狀和臨時形狀的驅動力。因此，在外部溫度刺激下，結晶相的熔融與重結晶，PU樣品展現出無應力雙向形狀記憶效應。PU最佳轉變溫度為0和60 °C，可逆性變在多次加熱-冷卻循環中相當穩定，最大可逆形變達到了24.2%。

圖2 PU網絡的編程程序和相應的結構變化

【TENG的智能“開-關”切換行為】

基于微/納米纖維摩擦電表面的獨特優勢，所制備的TENG表現出優異的電輸出性能開路電壓（V_oc）為185 V、短路電流（I_sc）為36μA和峰值功率密度為5.15 W m^?2。當使用可逆應變高達24.2%的雙向形狀記憶PU來設計一個可移動的摩擦電層時，成功實現了熱觸發可“開-關”功能的智能TENG，即當底部尼龍織物與上PI膜垂直對齊時，30 kPa壓力可引起兩摩擦層帶電，產生開路電壓（V_oc）為185 V、短路電流（I_sc）為36μA和峰值功率密度為5.15 W m^?2（“開”狀態）。一旦處于工作模式的TENG受到加熱， PU結晶相熔化并開始收縮，逐漸將底部摩擦層拉出初始位置，最后兩個摩擦層的完全錯定位，從而導致產生的電能輸出可以忽略不計（即“開→關”）。相反，在“關”狀態下的器件暴露在寒冷環境中，隨著溫度的降低，PU的長度逐漸延長，從而將可移動的摩擦電層推到與上層垂直對齊的位置。此時，TENG逐漸恢復到“開”工作模式，在按壓動作下再次出現電能輸出（即“關→開”）。TENG器件可以在多個溫度變化循環中穩定產生和消失電信號，沒有明顯的性能下降，驗證了智能“開-關”TENG器件的可行性。

圖3 TENG的“開-關”可切換行為及電學性能變化

【智能“開-關”TENG在可穿戴電子中的應用】

基于TENG熱觸發 “開-關”功能和優異的電輸出性能，論文設計了一種基于智能TENG的智能可穿戴系統，該系統包括一個由python程序編寫的信號處理模塊，用于傳感模塊和加熱模塊之間的通信。按照設計，可切換智能TENG被附在鞋墊上，不僅用作傳感元件，而且還用作智能熱驅動開關。作為傳感元件，TENG在“休眠”狀態和工作模式的切換可以引發電信號消失與出現，可以使人們清楚地掌握人體運動狀況。更重要的是，智能TENG可作為加熱裝置的驅動開關，在舒適環境中，TENG無信號發出，加熱裝置處于關閉狀態；當人體處于冷環境中，TENG發出警報信號，加熱裝置打開進而補償了人體核心區的熱量損失，有效地避免了在寒冷環境下人體的體溫過低；當人體在發熱和損失重新平衡時，熱刺激觸發TENG關閉，進而加熱裝置關閉，以避免過熱事件發生。

圖4 “開-關”可切換TENG在智能可穿戴電子系統中的應用

以上工作近期以題為“Thermal-Triggered “On–Off” Switchable Triboelectric Nanogenerator Based on Two-Way Shape Memory Polymer”的論文發表在《Advanced Functional Materials》，天津工業大學楊光教授為第一兼通訊作者，碩士研究生李海瓊為第二作者，閆靜副教授、莊旭品教授為共同通訊作者。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202214001

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（責任編輯：xu）

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