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青島大學(xué)逄堯堃教授團(tuán)隊(duì)連發(fā) Nano Energy/CEJ: 在海洋多糖基摩擦納米發(fā)電機(jī)領(lǐng)域發(fā)表重要成果

2025-02-28 來源：高分子科技

在全球環(huán)境問題日益加劇的背景下，摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）作為新型環(huán)境友好型能量采集技術(shù)，正日益受到廣泛關(guān)注。盡管該技術(shù)在機(jī)械能-電能轉(zhuǎn)換領(lǐng)域展現(xiàn)出革命性潛力，但目前TENG多采用石油基高分子材料，這種材料選擇與可持續(xù)發(fā)展的核心理念存在本質(zhì)矛盾。因此，開發(fā)綠色環(huán)保型的生物基摩擦電材料以應(yīng)用于TENG顯得尤為迫切和重要。青島大學(xué)逄堯堃教授團(tuán)隊(duì)致力于海洋生物質(zhì)摩擦電材料的開發(fā)與利用，近期接連在Nano Energy和CEJ發(fā)表重要研究成果，推動(dòng)了海洋多糖基摩擦材料的發(fā)展。

Nano Energy：通過氨基修飾與金屬離子絡(luò)合制備具有高表面電荷密度的海藻酸鹽正摩擦電材料

近年來，以殼聚糖、纖維素、海藻酸鈉等天然物質(zhì)為基礎(chǔ)的可降解生物基材料，正引領(lǐng)綠色TENG技術(shù)的新發(fā)展方向。科研團(tuán)隊(duì)已開發(fā)了表面改性、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等多種技術(shù)途徑來提升其摩擦電性能，但現(xiàn)有研究成果顯示，這類材料的性能提升幅度仍受材料本征特性限制。這促使學(xué)術(shù)界亟需通過創(chuàng)新性的材料設(shè)計(jì)與工程策略，系統(tǒng)突破生物基TENG的性能瓶頸。

近期，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性提出"氨基修飾-金屬配位"多尺度調(diào)控策略，成功實(shí)現(xiàn)生物摩擦正電材料的性能躍升。通過分子接枝技術(shù)將聚乙烯亞胺（PEI）精準(zhǔn)錨定于海藻酸鈉（SA）基體，并協(xié)同銅離子配位工程，研制出具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的SP-Cu氣凝膠薄膜。該材料在保持優(yōu)異柔韌性和生物相容性的同時(shí)，創(chuàng)紀(jì)錄地實(shí)現(xiàn)205 μC·m?2的電荷密度，較純SA材料提升820%，刷新生物基TENG材料性能指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，5×5 cm2的SP-Cu薄膜構(gòu)建的微型TENG裝置可產(chǎn)生3.5 kV開路電壓，峰值功率密度達(dá)120 W·m?2，單器件即可驅(qū)動(dòng)9000余LED陣列及24W級商業(yè)照明系統(tǒng)。此外，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的旋轉(zhuǎn)式TENG系統(tǒng)集成智能電源管理模塊（PMM），在模擬風(fēng)場環(huán)境中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定能量捕獲與存儲，成功構(gòu)建智能農(nóng)業(yè)物聯(lián)傳感網(wǎng)絡(luò)的離網(wǎng)供能原型，為農(nóng)業(yè)4.0提供了可再生的分布式能源解決方案。該成果以“Fabrication of alginate-based bio-tribopositive films via amine modification and metal ion coordination for high surface charge density”為題發(fā)表在Nano Energy上。

圖1：SP-Cu氣凝膠薄膜的結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)勢。

圖2：SP-Cu氣凝膠薄膜的制備和材料性質(zhì)。

圖3：SP-Cu基TENG的電性能表征。

圖4：旋轉(zhuǎn)TENG設(shè)備在智能農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用。

原文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.110677

CEJ：基于NH₂-MXene/TiO₂@海藻酸鹽的摩擦納米發(fā)電機(jī)的構(gòu)建及其在金屬防腐蝕的應(yīng)用

隨著全球能源危機(jī)加劇，開發(fā)太陽能、熱能、風(fēng)能和機(jī)械能等可再生能源成為迫切需求。其中，機(jī)械能因不受季節(jié)、晝夜和氣候限制而備受關(guān)注。摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）作為一種高效、低成本、輕量化的機(jī)械能收集技術(shù)，在微納能源、自供電傳感器等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)TENG多采用不可降解的合成塑料（如PTFE、PDMS），其廢棄物處理問題（尤其在海洋環(huán)境中）亟待解決，因此有必要提出一種在未來可以取代合成塑料的綠色基摩擦納米材料。

針對于上述問題，青島大學(xué)逄堯堃教授團(tuán)隊(duì)結(jié)合在摩擦納米發(fā)電機(jī)領(lǐng)域的多年深耕，設(shè)計(jì)出一種基于NH₂-MXene/TiO₂@海藻酸鹽復(fù)合膜的摩擦納米發(fā)電機(jī)（NMTS-TENG）并將其運(yùn)用在金屬電化學(xué)防護(hù)。該設(shè)計(jì)通過水熱法合成氨基化MXene，增加復(fù)合材料的供電子基團(tuán)，并形成大量的微電容，有利于提高復(fù)合電介質(zhì)的介電性能和表面電荷的生成和保持。通過協(xié)同納米TiO₂，進(jìn)一步提高了海藻酸鈉基復(fù)合薄膜的摩擦正電性能。最后，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種彈簧輔助的多層摩擦納米發(fā)電器件，組建了新型陰極保護(hù)系統(tǒng)，通過收集海水波浪能量實(shí)現(xiàn)了金屬電極的防腐蝕保護(hù)。該工作為高性能綠色TENG的開發(fā)及海洋環(huán)境中的金屬防護(hù)提供了新思路，推動(dòng)了海藻酸鈉在電化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。相關(guān)工作以“High-performance triboelectric nanogenerator based on NH₂-MXene/TiO₂@sodium alginate composite film for self-powered cathodic protection”為題發(fā)表在Chemical Engineering Journal上。