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西工大孔杰/深大黄龙彪等《AFM》:基于人体红外热效应自修复的柔性自供能传感器研究
2020-02-28  来源:高分子科技

  近日,西北工业大学孔杰、深圳大学黄龙彪和香港理工大学郝建华课题组合作报道了具有自修复、可裁剪的摩擦纳米发电高分子复合材料,可制备成能有效监测人体关节等运动的自供能传感器,同时可有效利用人体皮肤的红外热效应实现对受损器件的及时自修复(Adv. Funct. Mater., 2020, 1910723)。

  摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerator,TENG)作为一种新兴绿色能源大发排列3,广泛应用于能量收集和自供能传感器领域。为提升摩擦纳米发电机的使用寿命,自修复高分子材料能够为其提供独特的修复功能,在保证器件使用安全、延长寿命、节约资源等方面具有重要意义。有效利用人体红外辐射,基于人体皮肤红外热效应的自修复高分子材料在相关领域鲜有报道。团队在最近含可逆共价键拓扑高分子设计和制备(Compos. Sci. Technol., 2019, 174, 27-32、ACS Appl. Polym. Mater., 2020, doi: 10.1021/acsapm.9b01073)及TENG(Nano Energy, 2020,104593)的研究基础上(,将可逆亚胺键(imine)与四重氢键(UPy)同时引入到聚合物网络中,构建了具有良好力学性能的自修复弹性体。然后,将经UPy修饰的多壁碳纳米管(MWCNTs-UPy)分散于聚合物基体中,得到MWCNTs-UPy/IU-PAM纳米复合材料。该自修复材料能同时实现力学性能与电性能的双重修复,并且保持优异的柔韧性。该纳米复合材料在室温下的自修复率高达97%。且在近红外NIR照射下,由于碳纳米管的光热转化效应,可实现其快速自修复功效(图1)。

 

图1 自修复纳米复合材料的性能及表征

  通过摩擦纳米发电机的器件结构设计,将所合成的自修复弹性体IU-PDMS作为摩擦层,MWCNTs-UPy/IU-PAM作为电极层,组装得到单电极模式的自修复摩擦纳米发电机(IU-TENG)。由于各层结构中都含有相同的动态单元(亚胺键与四重氢键),从而仅通过简单重叠的方式,各层结构间便具有了良好的界面结合力。结果表明,器件能有效将机械能转化为电能,并在外接负载30 MΩ时,达到最大输出功率密度(300 mW/m2)。器件的开路电压、短路电流和电荷转移量分别达到95 V,9.5 μA和43nC,并能有效驱动30个以上LED发光(图2)。此外,基于IU-TENG优异的自修复性与柔性,器件可被裁剪为任意形状,经重新拼接修复后器件的输出性能可以恢复如初(图3)。

 

图2 IU-TENG的制备、工作原理和输出性能

 

图3 IU-TENG的形状可裁剪性能

  器件作为人体运动自供能传感器以监测指关节弯曲,能够实现30°-90°的弯曲检测。同时,器件在受损后,可利用人体皮肤的红外辐射促进受损器件的自我修复,也可以在NIR作用下实现快速修复。多重修复方式提升了器件使用的可靠性与安全性(图4)。

 

图4 自修复TENG用于人体关节运动监测

  以上工作以“Self-Healing, Flexible, and Tailorable Triboelectric Nanogenerators for Self-Powered Sensors based on Thermal Effect of Infrared Radiation”为题发表在Adv. Funct. Mater.(2020, 1910723)上。论文第一作者为西北工业大学博士研究生戴杏怡,通讯作者为西北工业大学孔杰教授、深圳大学黄龙彪副教授和香港理工大学郝建华教授。该工作得到了国家自然科学基金项目(21875190/51973119)、陕西省杰出青年科学基金(2018JC-008)和广东省自然科学基金(2019A1515011566)、深圳市科技创新委(JCYJ20170818101245583)的支持。

  论文连接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201910723

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