杂化有机-无机钙钛矿（HOIPs）压电体具有与商业陶瓷相当的压电性，且兼具低能耗合成，结构可调和重量轻等优点，已成为开发自供电的电子设备最具有潜力的候选材料。然而，由杂化有机-无机钙钛矿压电体制成的聚合物复合材料的压电输出功率远远落后于传统陶瓷基的复合材料。近日，贵州大学于杰教授和南开大学李伟教授报道了一种具有高压电性的杂化有机-无机钙钛矿/高分子复合材料，并基于此实现了高功率密度的能量收集和精准的人体活动监测。

  近年来，杂化有机-无机钙钛矿(HOIPs)由于其具有高压电性、结构可调性和低能耗合成等优势，在能量收集和自供电传感器件领域具有重大应用潜力。HOIPs的配体之间通常由配位键链接，这导致其具有低机械强度和高脆性。这些特性降低了HOIPs压电体在周期性机械刺激下的使用寿命和可靠性，不利于机械能和电能之间的转换过程。为了弥补这些固有的缺点，集成HOIPs压电体和聚合物可能是一种有效的策略。然而，尽管HOIPs压电体具有与商业陶瓷相当的压电性，由其制成的复合材料器件压电输出功率远远落后于传统的陶瓷基复合材料。其原因可能有三方面:（1）HOIP颗粒在复合材料中的不均匀分散可能导致应力调节部分失效，并且由于颗粒聚集严重，导致极化抵消严重;（2）复合材料中HOIP颗粒的尺寸大和形态的不规则会降低机械刺激时产生的应变和相应的电极化，从而在很大程度上限制了功率密度。（3）HOIP颗粒与聚合物在复合材料界面上的相互作用机理尚不清楚，影响了复合材料性能的进一步优化。

图1 杂化有机-无机钙钛矿与聚合物分子之间的van der Waals和C–H···Cl相互作用

  基于该复合材料设计制备的简易三明治结构装置，经复合材料的组分工程和能量吸收优化，结合复合材料器件的低阻抗特性，可实现高达115.2 μW/cm²的压电输出功率密度。该输出功率是目前所报道的杂化钙钛矿基复合材料中最高的，媲美最先进的压电陶瓷基复合材料器件（图2）。 

图2 已报到的压电陶瓷和杂化钙钛矿基复合材料器件的输出功率密度对比

  此外，该器件可以高效地收集人体运动能量，通过简单的手指拨动便可点亮15颗串联的LED等。该器件应用于人体活动监测时，可精准地感知人体的手势变换，咳嗽，喝水，说话等轻微动作（图3）。在监测人体的步行和跳跃等强烈的动作时，可产生82 V的电压信号，具有明显的自供电特性。 

图3 复合材料器件应用于人体活动能量收集与人体活动监测

  总之，该研究设计并制备了高压电性的杂化有机-无机钙钛矿/聚合物复合材料，阐明复合材料中van der Waals和C–H···Cl相互作用对压电性的积极影响，并基于此实现了高功率密度的能量收集与精准的人体活动监测。这项工作为设计功能性的聚合物复合材料开辟了新的机会，为开发自供电的柔性可穿戴设备铺平道路。

  论文信息：

  Yong-Ji Gong, Zhi-Gang Li, Haisheng Chen, Tian-Meng Guo, Fei-Fei Gao, Gui-Jing Chen,Yang Zhang, Yu-Meng You, Wei Li,* Min He, Xian-He Bu, and Jie Yu.* (2023) High power-density energy harvesting and human motion monitoring with [trimethylchloromethyl ammonium][CdCl3]/polymer composite. Matter 6, 1-15.

  论文链接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.04.024