柔性摩擦纳米发电机(TENG)因其可直接从人体运动中收集机械能的特性,在可穿戴电子、健康监测和智能交通等领域展现出巨大潜力。具有三维多孔结构的聚合物材料因其高比表面积、优异压缩性和可设计性,成为优化TENG性能的理想选择。热塑性聚氨酯(TPU)凭借其优异的弹性和机械强度,是构建多孔摩擦材料的理想基体,但其固有电导率不足限制了能量转换效率。为了提高其摩擦电性能,例如通过表面改性来增强表面粗糙度和表面积(如激光/化学蚀刻、等离子体处理、化学电镀和模板法等)以及在聚合物中引入各种填料以改善表面电气化和介电性能(如碳纳米管(CNTs)、碳黑(CB)、石墨烯、MXene、导电聚合物和金属颗粒等)。然而,许多报道的TENG设备由于成本高、制造工艺复杂以及适用性不足,在大规模生产中仍然受限。因此,如何通过低成本、可规模化的方法制备兼具高弹性和导电性的多孔摩擦电材料,仍是该领域面临的关键挑战。
福建理工大学陈汀杰研究员团队,通过盐模板法制备了一种CNT修饰的TPU@CNT海绵,这种工艺避免了复杂的化学修饰,且可通过调整盐模板比例(优化值为TPU-CNT/NaCl=1:1.5)精确控制孔隙率和孔壁厚度。该材料兼具高压缩性(80%应变)、结构稳定性和导电性,可作为TENG的摩擦层和电极一体化材料。通过双接触起电效应(表面接触与孔隙内自接触协同),器件在100 MΩ负载下实现了252 V开路电压、38 μA短路电流和1.642 W/m2的功率密度,性能显著优于传统TPU基TENG。材料的摩擦电性能提升源于独特的双接触起电机制。通过设计接触-分离模式TENG器件,研究人员量化了表面接触与体积自接触的协同贡献:当TPU@CNT海绵与微结构PDMS薄膜配对时,表面凹凸结构对应,产生初始界面电荷(177V);而在压缩阶段,孔壁变形促使内部裸露的CNT与TPU基体接触,触发二次电荷转移(提升至252V)。这一现象可类比为在单一器件中实现了成千上万个微尺度TENG的并联效应。电学测试表明,最佳CNT含量为6wt%,此时材料既保持结构完整性(8000次循环后应力保持率98.3%),又形成完善的导电网络。值得注意的是,引入的CNT不仅作为电荷载体,其表面羧基和羟基还通过与TPU链的氢键作用增强了界面粘附力,这是持久耐用的关键。该TENG可驱动738个LED阵列,为电容器充电,并作为自供电传感器精准监测人体运动。在智能交通中,其嵌入道路后可利用车辆碾压能量激活交通信号灯,同时实现桥梁超载监测。这项工作为制备高性能多孔摩擦电材料提供了可扩展方案,推动了自供电系统在柔性电子与智慧城市中的应用。
图1 TPU@CNT海绵制备过程、机理及其在自供电传感器和智能交通系统中的应用
图2 TPU@CNT海绵的表征及力学性能
图3 TPU@CNT海绵的压阻传感性能
图4 TC-TENG三种接触模式的摩擦电性能、Comsol仿真、内部孔隙微电容接触示意图
图5 TC-TENG的摩擦电性能及自供电传感
图6 基于TC-TENG的人体传感及自供电传感
图7 TC-TENG应用于智慧交通领域
相关工作近期以“Hierarchical porous TPU@CNT sponge for high-performance triboelectric nanogenerators via dual contact electrification and self-powered sensing applications”为题发表在Chemical Engineering Journal期刊上。论文第一作者为福建理工大学材料科学与工程学院研究生王茵茵。论文通讯作者为福建理工大学陈汀杰研究员、彭响方教授和林肇星副教授。
文献链接: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
- 中国科大龚兴龙教授团队 CEJ:用于消防员安全监测的阻燃、轻质、力/热防护火灾报警海绵 2025-04-30
- 安农大陈玉霞教授团队 AFM: 具有高机械强度、抗疲劳性和离子电导率的多功能丝瓜海绵水凝胶用于监测人体生命体征 2025-04-05
- 武汉大学邓红兵/赵泽团队 AFM:鱿鱼遇见花粉 - 甲壳素-花粉亲疏水协同组装全生物质海绵 - 纳米塑料高效“清道夫” 2025-02-27
- 华南农大胡传双教授、林秀仪副教授、徐江涛副教授 Adv. Sci.:双网络离子水凝胶实现可穿戴电子器件电磁屏蔽与自供电传感一体化 2025-07-03
- 苏州大学方剑教授团队 AFM:一种基于微纳结构自供电传感纱线的智能网球训练系统 2024-11-12
- 四川大学宋飞教授团队 CEJ:基于防冻可拉伸有机水凝胶电极的自供电传感器用于低温下机器手运行监测 2023-11-16
- 华南理工大学郭子豪团队 Angew:供体工程构建高性能、高操作稳定性的n型有机电化学晶体管材料 2025-07-21