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  近日，西北工業(yè)大學(xué)孔杰、深圳大學(xué)黃龍彪和香港理工大學(xué)郝建華課題組合作報(bào)道了具有自修復(fù)、可裁剪的摩擦納米發(fā)電高分子復(fù)合材料，可制備成能有效監(jiān)測(cè)人體關(guān)節(jié)等運(yùn)動(dòng)的自供能傳感器，同時(shí)可有效利用人體皮膚的紅外熱效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)受損器件的及時(shí)自修復(fù)（Adv. Funct. Mater., 2020, 1910723）。

  摩擦納米發(fā)電機(jī)（Triboelectric Nanogenerator，TENG）作為一種新興綠色能源技術(shù)，廣泛應(yīng)用于能量收集和自供能傳感器領(lǐng)域。為提升摩擦納米發(fā)電機(jī)的使用壽命，自修復(fù)高分子材料能夠?yàn)槠涮峁┆?dú)特的修復(fù)功能，在保證器件使用安全、延長(zhǎng)壽命、節(jié)約資源等方面具有重要意義。有效利用人體紅外輻射，基于人體皮膚紅外熱效應(yīng)的自修復(fù)高分子材料在相關(guān)領(lǐng)域鮮有報(bào)道。團(tuán)隊(duì)在最近含可逆共價(jià)鍵拓?fù)涓叻肿釉O(shè)計(jì)和制備（Compos. Sci. Technol., 2019, 174, 27-32、ACS Appl. Polym. Mater., 2020, doi: 10.1021/acsapm.9b01073）及TENG（Nano Energy, 2020，104593）的研究基礎(chǔ)上（，將可逆亞胺鍵（imine）與四重氫鍵（UPy）同時(shí)引入到聚合物網(wǎng)絡(luò)中，構(gòu)建了具有良好力學(xué)性能的自修復(fù)彈性體。然后，將經(jīng)UPy修飾的多壁碳納米管（MWCNTs-UPy）分散于聚合物基體中，得到MWCNTs-UPy/IU-PAM納米復(fù)合材料。該自修復(fù)材料能同時(shí)實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能與電性能的雙重修復(fù)，并且保持優(yōu)異的柔韌性。該納米復(fù)合材料在室溫下的自修復(fù)率高達(dá)97%。且在近紅外NIR照射下，由于碳納米管的光熱轉(zhuǎn)化效應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)其快速自修復(fù)功效（圖1）。

圖1 自修復(fù)納米復(fù)合材料的性能及表征

  通過(guò)摩擦納米發(fā)電機(jī)的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將所合成的自修復(fù)彈性體IU-PDMS作為摩擦層，MWCNTs-UPy/IU-PAM作為電極層，組裝得到單電極模式的自修復(fù)摩擦納米發(fā)電機(jī)（IU-TENG）。由于各層結(jié)構(gòu)中都含有相同的動(dòng)態(tài)單元（亞胺鍵與四重氫鍵），從而僅通過(guò)簡(jiǎn)單重疊的方式，各層結(jié)構(gòu)間便具有了良好的界面結(jié)合力。結(jié)果表明，器件能有效將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，并在外接負(fù)載30 MΩ時(shí)，達(dá)到最大輸出功率密度（300 mW/m²）。器件的開(kāi)路電壓、短路電流和電荷轉(zhuǎn)移量分別達(dá)到95 V，9.5 μA和43nC，并能有效驅(qū)動(dòng)30個(gè)以上LED發(fā)光（圖2）。此外，基于IU-TENG優(yōu)異的自修復(fù)性與柔性，器件可被裁剪為任意形狀，經(jīng)重新拼接修復(fù)后器件的輸出性能可以恢復(fù)如初（圖3）。

圖2 IU-TENG的制備、工作原理和輸出性能

圖3 IU-TENG的形狀可裁剪性能

  器件作為人體運(yùn)動(dòng)自供能傳感器以監(jiān)測(cè)指關(guān)節(jié)彎曲，能夠?qū)崿F(xiàn)30°-90°的彎曲檢測(cè)。同時(shí)，器件在受損后，可利用人體皮膚的紅外輻射促進(jìn)受損器件的自我修復(fù)，也可以在NIR作用下實(shí)現(xiàn)快速修復(fù)。多重修復(fù)方式提升了器件使用的可靠性與安全性（圖4）。

圖4 自修復(fù)TENG用于人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)

  以上工作以“Self-Healing, Flexible, and Tailorable Triboelectric Nanogenerators for Self-Powered Sensors based on Thermal Effect of Infrared Radiation”為題發(fā)表在Adv. Funct. Mater.（2020, 1910723）上。論文第一作者為西北工業(yè)大學(xué)博士研究生戴杏怡，通訊作者為西北工業(yè)大學(xué)孔杰教授、深圳大學(xué)黃龍彪副教授和香港理工大學(xué)郝建華教授。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21875190/51973119）、陜西省杰出青年科學(xué)基金（2018JC-008）和廣東省自然科學(xué)基金（2019A1515011566）、深圳市科技創(chuàng)新委（JCYJ20170818101245583）的支持。

  論文連接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201910723