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  近年來，柔性可穿戴電子設(shè)備的蓬勃發(fā)展給人們帶來便捷智能的生活，但是其續(xù)航和能源供應(yīng)問題限制了發(fā)展，如何為其提供持續(xù)有效、綠色環(huán)保安全的電能成為亟需解決的問題。摩擦納米發(fā)電機(jī)（Triboelectric nanogenerator, TENG）能夠收集各種形式的機(jī)械能（包括人體運(yùn)動(dòng)的能量）轉(zhuǎn)換成電能，成為持續(xù)地為可穿戴電子設(shè)備提供動(dòng)力的潛在選擇。為了適應(yīng)人體組織的力學(xué)性質(zhì)和其頻繁的運(yùn)動(dòng)，理想的TENG還應(yīng)具有柔軟、可拉伸的性能。

  彈性的基底材料是實(shí)現(xiàn)上述理想TENG構(gòu)筑的關(guān)鍵。東華大學(xué)纖維材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室游正偉教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事彈性體材料研究，主要在可降解聚酯類生物彈性體領(lǐng)域（Biomaterials 2010, 31, 3129; Adv. Funct. Mater. 2012, 22, 28; ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 20591; J. Mater. Chem. B, 2016, 4, 2090; Acta Biomater. 2019, 539, 351）和聚氨酯類自愈合智能彈性體領(lǐng)域（Adv. Mater. 2019, 31, 1901402; Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1901058; Mater. Chem. Front 2019, 3, 1833）開展了一系列工作。并研究了這些彈性體的3D打�。∕ater. Horiz. 2019, 6, 394; Mater. Horiz. 2019, 6, 1197; Adv. Healthc. Mater. 2019, 8, 1900065, Sci. China Mater. DOI: 10.1007/s40843-019-9498-5）。進(jìn)而和納米材料（CNT）等的復(fù)合，構(gòu)建了3D打印定制化的基于TENG的可穿戴電子設(shè)備（Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1805108）。以上工作主要基于固態(tài)的彈性電子導(dǎo)體，這類材料在拉伸時(shí)電阻會(huì)顯著增加，甚至破壞導(dǎo)電單元之間的接觸而失去導(dǎo)電性。離子導(dǎo)體由于其柔軟，可拉伸，透明等特點(diǎn)被認(rèn)為是電子導(dǎo)體的重要補(bǔ)充，近年來在可拉伸電子領(lǐng)域備受關(guān)注。在近期該團(tuán)隊(duì)的管清寶副教授研制了光熱響應(yīng)的自愈合水凝膠基的摩擦納米發(fā)電機(jī)（Hydrogel-based triboelectric nanogenerator, H-TENG）（J. Mater. Chem. A 2019, 7, 13948）。然而，H-TENG中的水凝膠材料在使用中有兩個(gè)主要缺點(diǎn)。首先是它們的保水能力差。隨著水從水凝膠中蒸發(fā)，水凝膠的離子電導(dǎo)率和透明度顯著降低，最終導(dǎo)致性能降低，甚至喪失。第二個(gè)缺點(diǎn)是應(yīng)用的溫度范圍窄。在0 °C以下，傳統(tǒng)的水凝膠會(huì)結(jié)冰，變得僵硬并嚴(yán)重限制離子傳輸。在高溫下，則會(huì)加速水分蒸發(fā)。因此，水凝膠不適合在干燥，低溫和高溫環(huán)境中長(zhǎng)期應(yīng)用。

  離子凝膠是一種以離子液體為分散介質(zhì)的新型凝膠。離子液體優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和難揮發(fā)等特點(diǎn)能夠有效地解決上述水凝膠的問題。據(jù)此，東華大學(xué)游正偉教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于離子凝膠的摩擦納米發(fā)電機(jī)（Ionogel-based triboelectric nanogenerator, I-TENG），其既具有H-TENG的高透明性和拉伸性，又有效地拓寬了離子導(dǎo)體基TENG的使用溫度范圍（圖1）。

圖1. 離子凝膠基摩擦納米發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)示意圖。

  他們?cè)O(shè)計(jì)了一種3-甲基（甲基丙烯酰氧基乙基）銨丙烷磺酸鹽丙烯酸共聚物為三維網(wǎng)絡(luò)，離子液體[1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺([EMI] [DCA])]為分散介質(zhì)的離子凝膠。離子凝膠具有良好的拉伸性（~800%）和離子電導(dǎo)率（1.1 mS cm^-1）。由其構(gòu)筑的I-TENG具有高拉伸性（>400%），高透明度（>90%）和良好的耐疲勞性（抗1000次100%拉伸），同時(shí)其電輸出性能保持穩(wěn)定至少1個(gè)月（圖2）。更重要地，I-TENG在-20至100 °C的寬溫度范圍內(nèi)保持高拉伸性和電輸出性能（圖3）。

圖2. 在30 ℃或100 ℃下，相對(duì)濕度為30%的干燥環(huán)境中I-TENG與H-TENG穩(wěn)定性比較

圖3 水凝膠、離子凝膠和雙電極I-TENG的低溫耐受性。

  I-TENG既可用于生物機(jī)械能量收集，有效地驅(qū)動(dòng)可穿戴電子設(shè)備，也可用于自供電的人體運(yùn)動(dòng)傳感。該研究提供了一種新型的TENG，在可穿戴電子，電子皮膚和人工智能等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

  相關(guān)研究成果以“Ionogel-based, highly stretchable, transparent, durable triboelectric nanogenerators for energy harvesting and motion sensing over a wide temperature range”為題發(fā)表在《Nano Energy》上。該論文的第一作者為東華大學(xué)博士生孫利杰，游正偉教授為該論文的通訊作者，管清寶副教授為論文的共同作者。該項(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市自然科學(xué)基金、東華大學(xué)勵(lì)志計(jì)劃等基金的資助。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.06.043