基于摩擦起電和靜電感應(yīng)原理的摩擦電納米發(fā)電機(TENGs)由于簡單的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的輸出性能，在能量采集和自供能傳感中得到了廣泛的應(yīng)用。目前多數(shù)TENG存在著諸如制備工藝復(fù)雜，成本高，耐久性差，難以實現(xiàn)規(guī)；a(chǎn)等問題。傳統(tǒng)TENG往往將金屬電極置于器件外側(cè)，不僅影響了器件的柔性和舒適性，而且金屬電極容易在長期使用中被氧化或腐蝕，導(dǎo)致穩(wěn)定性降低。在接觸分離式TENG中，通常需要使用墊片或彈簧來保持正負電材料間的空氣間隙，這無疑增大了器件的厚度和靈活性；長期使用中墊片或彈簧的滑動也會造成TENG穩(wěn)定性的降低。因此，克服以上問題，研發(fā)高輸出、高穩(wěn)定性的TENG綠色、規(guī)；苽湫路椒ㄊ峭卣蛊涔こ虘(yīng)用的關(guān)鍵。
鄭州大學申長雨院士、劉春太教授團隊米皓陽教授課題組在《Nano Energy》期刊上發(fā)表了題為“Green Fabrication of Double-sided Self-supporting Triboelectric Nanogenerator with High Durability for Energy Harvesting and Self-powered Sensing”的文章（DOI：10.1016/j.nanoen.2021.106827）；诃h(huán)保和可持續(xù)理念，研制了具有超高耐久性和穩(wěn)定性的雙面自支撐式摩擦納米發(fā)電機(DS-TENG)。利用真空熱壓工藝和超臨界二氧化碳(scCO2)發(fā)泡技術(shù)，通過在內(nèi)部嵌入不銹鋼網(wǎng)電極，一次成型具有凹凸陣列表面結(jié)構(gòu)的多孔熱塑性聚氨酯(TPU)泡沫，并使用硅橡膠（Ecoflex）薄膜作為負極材料組裝了納米發(fā)電機與自供能柔性傳感器。DS-TENG將電極包埋與發(fā)泡材料內(nèi)，不僅有效保護了電極，而且還實現(xiàn)了復(fù)合泡沫兩側(cè)微結(jié)構(gòu)的同時利用，使單電極器件達到了雙電極器件的性能。而表面的凹凸陣列結(jié)構(gòu)提供了電荷轉(zhuǎn)移的空氣層，起到了自支撐作用，顯著提升了DS-TENG的柔性和穩(wěn)定性。通過長期的酸堿環(huán)境處理和4Hz頻率下高達50000次的循環(huán)測試，證實DS-TENG具有超高的耐久性和穩(wěn)定性。最后，文章展示了DS-TENG作為自供能傳感器在監(jiān)測人類行走步態(tài)和步頻，坐姿行為，以及協(xié)助拳擊手訓練方面的應(yīng)用潛力。
圖1 a) DS-TENG的制備工藝b)不同目數(shù)不銹鋼網(wǎng)電極制備的TPU泡沫前后視圖照片c) DS-TENG組件示意圖d)單面和雙面TENG電位分布仿真結(jié)果e) DS- TENG從完全壓縮狀態(tài)恢復(fù)到釋放狀態(tài)時摩擦電勢變化的仿真結(jié)果f) Isc, g) Voc, h) Qsc單面和雙面TENG輸出對比。
圖2 a) Isc, b) Voc, c) Qsc為使用不同目數(shù)不銹鋼網(wǎng)格內(nèi)嵌電極組裝DS-TENGs的輸出性能結(jié)果；d)內(nèi)嵌不同目數(shù)不銹鋼網(wǎng)制作的TPU復(fù)合泡沫在俯視圖和橫截面的SEM圖像；e)DS-TENG有效接觸面積(ECA)示意圖；f) Isc, g) Voc, h) Qsc為使用不同浸泡壓力制備TPU復(fù)合泡沫組裝的DS-TENGs的輸出性能結(jié)果；i) 不同飽和壓力下制備TPU復(fù)合泡沫的俯視圖和橫截面的SEM圖像;j) DS-TENG的ECA示意圖。
圖3 a) DS-TENG的工作原理示意圖；b) DS-TENG受壓和釋放過程的照片；c)不同壓力下DS-TENG的Isc結(jié)果擬合曲線；d)頻率為2、3和4 Hz的DS-TENG的Isc、Voc和Qsc統(tǒng)計結(jié)果；e) DS-TENG在12500 s內(nèi)進行50000次循環(huán)的輸出結(jié)果；f) DS-TENG在酸性和堿性溶液中超聲浸泡的照片；g)酸堿處理后的Isc測試結(jié)果和h) Voc和Qsc統(tǒng)計結(jié)果
圖4 a-c)安裝在鞋底的柔性DS-TENG實時監(jiān)測人的步態(tài)、步頻；d-f)將DS-TENG放置在椅子上，監(jiān)測人的坐姿行為；g-i)在沙袋上安裝DS-TENG，檢測拳手的沖力、沖量、沖擊時間。
論文第一作者為鄭州大學橡塑模具國家工程中心博士研究生謝一兵。論文通訊作者為鄭州大學橡塑模具國家工程中心米皓陽教授。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106827
作者團隊簡介：
米皓陽教授課題組長期從事高分子及其復(fù)合材料的成型加工方面研究，致力于多孔高分子材料的綠色制造與高性能化和功能化應(yīng)用。歡迎相關(guān)專業(yè)同學報考。
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