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  柔性摩擦納米發電機（TENG）因其可直接從人體運動中收集機械能的特性，在可穿戴電子、健康監測和智能交通等領域展現出巨大潛力。具有三維多孔結構的聚合物材料因其高比表面積、優異壓縮性和可設計性，成為優化TENG性能的理想選擇。熱塑性聚氨酯（TPU）憑借其優異的彈性和機械強度，是構建多孔摩擦材料的理想基體，但其固有電導率不足限制了能量轉換效率。為了提高其摩擦電性能，例如通過表面改性來增強表面粗糙度和表面積（如激光/化學蝕刻、等離子體處理、化學電鍍和模板法等）以及在聚合物中引入各種填料以改善表面電氣化和介電性能（如碳納米管（CNTs）、碳黑（CB）、石墨烯、MXene、導電聚合物和金屬顆粒等）。然而，許多報道的TENG設備由于成本高、制造工藝復雜以及適用性不足，在大規模生產中仍然受限。因此，如何通過低成本、可規模化的方法制備兼具高彈性和導電性的多孔摩擦電材料，仍是該領域面臨的關鍵挑戰。

  福建理工大學陳汀杰研究員團隊，通過鹽模板法制備了一種CNT修飾的TPU@CNT海綿，這種工藝避免了復雜的化學修飾，且可通過調整鹽模板比例（優化值為TPU-CNT/NaCl=1:1.5）精確控制孔隙率和孔壁厚度。該材料兼具高壓縮性（80%應變）、結構穩定性和導電性，可作為TENG的摩擦層和電極一體化材料。通過雙接觸起電效應（表面接觸與孔隙內自接觸協同），器件在100 MΩ負載下實現了252 V開路電壓、38 μA短路電流和1.642 W/m2的功率密度，性能顯著優于傳統TPU基TENG。材料的摩擦電性能提升源于獨特的雙接觸起電機制。通過設計接觸-分離模式TENG器件，研究人員量化了表面接觸與體積自接觸的協同貢獻：當TPU@CNT海綿與微結構PDMS薄膜配對時，表面凹凸結構對應，產生初始界面電荷（177V）；而在壓縮階段，孔壁變形促使內部裸露的CNT與TPU基體接觸，觸發二次電荷轉移（提升至252V）。這一現象可類比為在單一器件中實現了成千上萬個微尺度TENG的并聯效應。電學測試表明，最佳CNT含量為6wt%，此時材料既保持結構完整性（8000次循環后應力保持率98.3%），又形成完善的導電網絡。值得注意的是，引入的CNT不僅作為電荷載體，其表面羧基和羥基還通過與TPU鏈的氫鍵作用增強了界面粘附力，這是持久耐用的關鍵。該TENG可驅動738個LED陣列，為電容器充電，并作為自供電傳感器精準監測人體運動。在智能交通中，其嵌入道路后可利用車輛碾壓能量激活交通信號燈，同時實現橋梁超載監測。這項工作為制備高性能多孔摩擦電材料提供了可擴展方案，推動了自供電系統在柔性電子與智慧城市中的應用。

圖1 TPU@CNT海綿制備過程、機理及其在自供電傳感器和智能交通系統中的應用

圖2 TPU@CNT海綿的表征及力學性能

圖3 TPU@CNT海綿的壓阻傳感性能

圖4 TC-TENG三種接觸模式的摩擦電性能、Comsol仿真、內部孔隙微電容接觸示意圖

圖5 TC-TENG的摩擦電性能及自供電傳感

圖6 基于TC-TENG的人體傳感及自供電傳感

圖7 TC-TENG應用于智慧交通領域

  相關工作近期以“Hierarchical porous TPU@CNT sponge for high-performance triboelectric nanogenerators via dual contact electrification and self-powered sensing applications”為題發表在Chemical Engineering Journal期刊上。論文第一作者為福建理工大學材料科學與工程學院研究生王茵茵。論文通訊作者為福建理工大學陳汀杰研究員、彭響方教授和林肇星副教授。

  文獻鏈接：Hierarchical porous TPU@CNT sponge for high-performance triboelectric nanogenerators via dual contact electrification and self-powered sensing applications. Chemical Engineering Journal 521 (2025) 166530.

  https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894725073681