摩擦電納米發(fā)電機(jī)（TENG）能夠?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，具有輕便、成本低和性能優(yōu)良的特點(diǎn)，自從2012年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，在自供能可穿戴器件、海洋能源收集、健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。舉例來(lái)說(shuō)，它可以將人體走路時(shí)膝蓋彎曲或者手指彎曲產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，甚至可以收集水滴移動(dòng)的機(jī)械能。但是，目前所有的TENG器件是基于固-固、固-液或者液-液之間設(shè)計(jì)的，其性能常常受到周?chē)h(huán)境、摩擦層的相對(duì)位置以及器件壽命的影響。為解決這一問(wèn)題，新加坡南洋理工大學(xué)的Pooi?See Lee團(tuán)隊(duì)首次設(shè)計(jì)了基于氣-固界面的自修復(fù)摩擦電納米發(fā)電機(jī)，該器件能牢固的粘結(jié)在各類(lèi)物體表面，有望用于機(jī)器人觸覺(jué)傳感和帕金森癥監(jiān)測(cè)等。該研究以題為“Self-healable sticky porous elastomer for gas-solid interacted power generation”發(fā)表在《Science?Advances》上。
【PDPU彈性體的制備】
作者制備了如圖1所示的尿素-肟-氨基甲酸酯的多孔超分子彈性體（簡(jiǎn)稱(chēng)PDPU）。氣孔在PDPU內(nèi)部均勻分布，且不影響PDPU的表面平整度，這也造就了PDPU在玻璃、不銹鋼、紙板表面均有良好的粘附力。此外PDPU獨(dú)特的化學(xué)結(jié)構(gòu)也造就了它極好的自修復(fù)性能以及機(jī)械性能。無(wú)論拉伸至500%還是壓縮至60%，PDPU都能回到原始的狀態(tài)，展示了極好的拉伸和壓縮性能。
【TENG器件的輸出原理】
隨后，作者將Ag納米線(xiàn)作為上下電極，與多孔PDPU組裝成了TENG器件。多孔PDPU基TENG展示出3.8V的輸出電壓、17 nC的轉(zhuǎn)移電荷量和35 nA·cm?2的電荷密度，遠(yuǎn)高于致密PDPU制備的TENG器件（0.2 V，2.5 nC和1.2 nA·cm?2）和多孔PDMS基TENG器件。這也說(shuō)明多孔PDPU內(nèi)部的氣-固界面是器件的能量來(lái)源。同時(shí)，靜態(tài)表面電勢(shì)測(cè)試表明，PDPU的表面電勢(shì)為-2.36 kV，遠(yuǎn)低于現(xiàn)有的常用摩擦層負(fù)極材料PDMS和PTFE（0.23 kV）
作者認(rèn)為，多孔PDPU基TENG工作原理是基于氣孔的壓縮和恢復(fù)過(guò)程中，氣體的體積變化會(huì)引起PDPU界面的電荷密度發(fā)生變化，這表現(xiàn)出在壓縮和恢復(fù)過(guò)程中有電壓的產(chǎn)生。
【PDPU基TENG器件輸出性能的影響參數(shù)】
作者隨后探究了PDPU內(nèi)部的氣孔大小、厚度以及氣體成分對(duì)于TENG器件輸出性能的影響。結(jié)果表明氣孔大小為1mm、PDPU厚度為4 mm且氣體成分為空氣時(shí)，器件的輸出電壓最高。這是由于合適的氣孔大小和PDPU的厚度能夠保證在壓縮過(guò)程中氣孔的形變以及氣固界面達(dá)到最優(yōu)。同時(shí)空氣中的帶電顆粒對(duì)于器件的輸出電壓起了決定性的作用。
【PDPU基TENG器件的自修復(fù)性能】
該TENG器件另一個(gè)突出的性能是具有優(yōu)異的自修復(fù)性能。將器件切成兩塊后，在100 oC處理4h，切口明顯消失。且輸出電壓與未處理前沒(méi)有明顯變化。此外，在對(duì)器件拉伸至1200%的形變?cè)倩謴?fù)后，器件的輸出性能仍未降低。說(shuō)明該器件在極端拉伸條件下仍能保持較好的穩(wěn)定性。此外，該器件在270 s內(nèi)能把10?μF的電容器充電到2 V，該電容器能點(diǎn)亮幾十盞LED燈，顯示出優(yōu)異的性能。
【PDPU基TENG器件的應(yīng)用】
此外，該TENG器件還可以作為自供能傳感器監(jiān)測(cè)人體不同部位的運(yùn)動(dòng)。在不同運(yùn)動(dòng)模式下，包括彎曲、扭轉(zhuǎn)以及拉伸，器件均能表現(xiàn)出良好的信號(hào)響應(yīng)。此外，該器件的輸出電壓與壓力具有良好的線(xiàn)性關(guān)系，有望用于機(jī)器人的觸覺(jué)傳感。另外，該器件還能區(qū)別正常步伐和拖動(dòng)步伐（帕金森癥患者），未來(lái)有望用于健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。
【總結(jié)】
作者設(shè)計(jì)并制備了基于氣-固界面的新型摩擦電納米發(fā)電機(jī)。該器件具有優(yōu)異的自修復(fù)性能和力學(xué)性能，且能夠粘附到各類(lèi)物體表面。未來(lái)有望作為自供能傳感器用于機(jī)器人觸覺(jué)傳感以及人類(lèi)健康監(jiān)測(cè)等。
原文鏈接：
https://advances.sciencemag.org/content/6/29/eabb4246.abstract
