【Nano Energy】抗凍、抗干燥和可拉伸的摩擦電材料 https://mp.weixin.qq.com/s/bPZPRVtlpPD9y1xkjQTITA
01. 研究背景可穿戴傳感器在人機交互、健康監測系統和人體運動監測領域蓬勃發展，傳感材料的開發已成為可穿戴傳感設備的重要研究方向之一。然而，大多數傳感器電極材料是剛性和脆性的金屬材料，柔韌性差且容易脫落，可能導致輸出信號失真，極大限制了傳感器在實際生活中的普及使用。此外，制備過程需要消耗時間和額外的能量。因此，開發一種簡單且快速的策略，制備多功能的傳感電極器材料具有重要的意義。02. 文章概述近日，王雙飛院士團隊成功制備了具有類共價氫鍵相互作用的可拉伸摩擦電材料。類共價氫鍵相互作用賦予了摩擦電材料拉伸性、抗凍性、抗干燥性、導電性和粘附性等多功能性。該材料作為電極材料，被組裝成單電極摩擦電納米發電機（S-TENG），可以在多重環境（多次大形變、高低溫等）影響下穩定輸出。與機械抓手集成，能夠準確識別不同物品，為多種環境條件下實現觸覺感知提供了技術基礎。該成果以題為“Anti-freeze, anti-dehydrating and stretchable triboelectric materialsenabled by covalent-like hydrogen bond interaction”發表在《Nano Energy》上，博士后袁金霞和博士生鄒雪蓮為共同第一作者，王志偉副教授和聶雙喜教授為通訊作者，秦影、劉濤、杜國立、羅斌、遲明超、劉艷華、邵宇正、趙佳敏和吳迪參與研究。03. 圖文導讀
1、摩擦電材料的設計本研究提出一種簡單而快速的策略，利用木質素基大分子自催化體系（SL-Fe3+）提供能量，引發單體聚合成聚丙烯酰胺（PAM）鏈。隨后，PAM鏈和海藻糖（Tr）形成類共價氫鍵相互作用，成功制備凝膠基多功能摩擦電材料。其中類共價氫鍵相互作用賦予了摩擦電材料拉伸性（2840%）、抗凍性（-18℃）和抗干燥性（40℃）等多功能性。該材料作為電極材料，被組裝成單電極摩擦電納米發電機，具有良好的應力靈敏度（0.39 kPa-1）和優秀的響應時間（79 ms）。圖1 類共價氫鍵相互作用實現的摩擦電材料
2、摩擦電材料的制備圖2展示了通過動態氧化還原反應快速制備摩擦電材料的過程。SL-Fe3+和APS之間的多重動態氧化還原反應構建了一個可逆的醌-兒茶酚氧化還原平衡環境，加速了APS分解為SO4-自由基和OH自由基，促使單體自聚合成PAM鏈。PAM鏈上的許多極性基團進而與Tr形成類共價氫鍵。
圖2摩擦電材料的動態氧化還原快速制備
3、摩擦電材料的力學性能和自粘性摩擦電材料具有拉伸性和柔韌性，可以維持柔性TENG多次變形下的結構完整和穩定性。Tr能夠與PAM聚合物鏈形成類共價氫鍵，輔以CNF作為凝膠網絡增強劑，從而對凝膠網絡起到動態修復的作用。與純PAM水凝膠相比，CNF的存在提高了水凝膠的拉伸性能。且由Tr和CNF協同修復增強的CNF-SL / 0.8 Tr-PAM摩擦電材料表現了卓越的拉伸性能，極限拉伸強度高達228.5 kPa。其卓越的拉伸應變和應力遠高于近年來有關木質素自催化PAM水凝膠的研究報道。
圖3 類共價氫鍵相互作用對摩擦電材料機械性能和自粘合性能的增強。
4、摩擦電材料的抗凍性和抗脫水性摩擦電材料的失水通常會導致其機械性能和導電性能的嚴重退化，而Tr的存在能有效地減緩其失水速率。25℃放置七天后，其固含量仍高達67.4%。而無Tr的水凝膠因水分嚴重蒸發而變得干硬，固形物含量僅剩42.6%。出色的抗脫水性得益于Tr和PAM鏈之間形成了類共價氫鍵，從而對凝膠網絡起到鎖水保持的作用。將不同溫度下的CNF-SL / 0.8Tr-PAM摩擦電材料作為電路的導體，成功點亮LED燈，進一步證明了在不同溫度下電導率的穩定性。
圖4 類共價氫鍵相互作用對摩擦電材料抗凍性和保水性的增強
5、柔性S-TENG的傳感性能S-TENG具有類三明治結構，其中水凝膠密封在兩層透明的聚丙烯酸酯（VHB）薄膜之間作為工作電極，并將金屬銅線作為導線用于線路連接。對S-TENG多次進行對折、彎曲、扭曲及揉搓等復雜變形，處理前后的電輸出信號基本保持穩定，為在復雜形變環境下的應用提供了可靠依據。S-TENG在不同頻率下依然具有穩定的摩擦電輸出性能，并通過10000次的循環實驗證明了它在長時間工作的穩定性。圖5 S-TENG的傳感性能
6、柔性S-TENG的智能應用在黑暗等不同場景中，精準識別不同物體對工廠自動化和機器人技術發展具有重要意義。本研究將柔性S-TENG和機械抓手集成，以驗證柔性TENG與機械部件聯合在觸覺感知中的應用效果。智能機械抓手成功實現對氟化乙烯丙烯共聚物球、食品包裝和塑料瓶等眾多不同材料的精確識別。智能抓手產生穩定的電信號連續輸出波段，有望結合人工智能技術，實現對物體集的自供電精確識別，從而用于智能工廠、虛擬商超和智慧醫院等未來大型基礎設施的建設。圖6 柔性S-TENG的智能應用
04. 結論本研究開發了一種簡單而快速的策略，利用SL-Fe3+自催化系統提供能量，引發單體原位聚合成PAM鏈，進而與Tr形成類共價氫鍵網絡，輔以CNF作為凝膠網絡增強劑，在室溫下可成功制備柔性摩擦電材料。類共價氫鍵網絡賦予了摩擦電材料拉伸性（2840%）、抗凍性（-18℃）、抗脫水性（40℃）和粘附性（45.24 kPa）。這些獨特的性質使其能夠組裝成具有摩擦電輸出穩定性和耐久性的S-TENG。此外，基于S-TENG的智能機械抓手具備觸覺感知能力，能夠準確識別不同物品，為在人工智能時代實現無人工廠和虛擬超市等大型基礎設施的建設提供了設計方案。這項研究為導電水凝膠的設計和實現提供了新的見解，并促進了可穿戴電子設備的廣泛使用。原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110215