广西大学王双飞院士团队 CEJ：仿生木结构使气凝胶摩擦电材料具有湿度适应特性

2024-08-30 来源：高分子科技

摩擦纳米发电机（TENG）能够从自然界中收集离散机械能并将其转化为电能，可作为分布式电源和自供电传感器，在物联网的新时代展现出广阔的发展前景。但在高湿度环境中，TENG的性能通常受到影响；粘附在摩擦层表面的水分子会带走表面电荷，从而导致电荷耗散和功率输出降低，这极大地限制了TENG的发展。虽然包封和疏水处理能增强TENG的防潮性能，但通常成本高、难度大且可能造成环境污染等问题。因此，开发具有高输出性能和湿度适应性的绿色摩擦电材料具有重要意义。

近日，王双飞院士团队段青山博士课题组受天然木材各向异性结构的启发，通过定向冷冻干燥辅助机械压缩工艺制备了一种具有优异湿度适应性和摩擦电性能的壳聚糖/聚乙烯醇纵向气凝胶薄膜（CP-LAF）。CP-LAF的各向异性结构和粗糙表面可以改善TENG的电性能。而且，组分之间的紧密缠结使孔隙变小，各向异性的多孔结构为亲水基团和水分子形成更多的氢键提供了丰富的活性位点，产生了更多的结合水参与摩擦充电过程。材料在极湿环境（99％RH）下达到饱和时，材料的摩擦电性能可以长时间保持高水平和高稳定性。基于 CP-LAF 的 TENG (CL-TENG) 在 99% RH 下表现出高达 342 V 的开路电压，比 50% RH 下高 1.6 倍。此外，在循环 3 次后，其电压仍能保持 95.3%。这项研究为制备在极端湿度环境下保持高输出的摩擦电材料提供了一种简单有效的策略，并展示了 CL-TENG 在能量收集和自供电传感器方面的巨大潜力。

图1. 仿生物气凝胶薄膜的设计策略、结构及应用

图2. 基于 CP-LAF 的摩擦电材料的表征

图3. CP-LAF的摩擦电特性

图4. CL-TENG的湿度增强和稳定性

图5. CP-LAF用于自供电传感和人体运动的无线蓝牙监测

以上研究成果以“Bionic wood-inspired structure enables aerogel film triboelectric material with humidity adaptation”为题，发表于《Chemical Engineering Journal》上，广西大学研究生张叶、彭伟卿和博士生章志君为共同第一作者，段青山为通讯作者，何娟霞博士、许贝、宋旭玲、栗剑锋、罗懿、聂双喜教授、梁东武副研究员参与研究。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.154906

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（责任编辑：xu）

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