Bionic wood-inspired structure enables aerogel film triboelectric material with humidity adaptation
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https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.154906
01研究背景
摩擦納米發(fā)電機（TENG）能夠從自然界中收集離散機械能并將其轉化為電能，可作為分布式電源和自供電傳感器，在物聯(lián)網(wǎng)的新時代展現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景。但在高濕度環(huán)境中，TENG的性能通常受到影響；粘附在摩擦層表面的水分子會帶走表面電荷，從而導致電荷耗散和功率輸出降低，這極大地限制了TENG的發(fā)展。雖然包封和疏水處理能增強TENG的防潮性能，但通常成本高、難度大且可能造成環(huán)境污染等問題。因此，開發(fā)具有高輸出性能和濕度適應性的綠色摩擦電材料具有重要意義。
02文章概述
近日，王雙飛院士團隊受天然木材各向異性結構的啟發(fā)，通過定向冷凍干燥輔助機械壓縮工藝制備了一種具有優(yōu)異濕度適應性和摩擦電性能的殼聚糖/聚乙烯醇縱向氣凝膠薄膜（CP-LAF）。分層有序的多孔結構和粗糙的表面增強了TENG的摩擦電性能。更重要的是，基于CP-LAF的TENG對高濕度環(huán)境具有很強的適應性和穩(wěn)定性，在99 %RH 的環(huán)境下，其輸出電壓是50 %RH的情況下的 1.6 倍。此外，經過 5000 次工作循環(huán)后，其電氣性能幾乎沒有下降。該工作以題為“Bionic wood-inspired structure enables aerogel film triboelectric material with humidity adaptation”發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》上，研究生張葉、彭偉卿和博士生章志君為共同第一作者，段青山博士為通訊作者，何娟霞博士、許貝、宋旭玲、栗劍鋒、羅懿、聶雙喜教授、梁東武副研究員參與研究。
03文章導讀
1.仿生氣凝膠膜的設計策略、制備與結構
受木材各向異性結構的啟發(fā)，設計了一種具有分層孔隙結構的仿生縱向氣凝膠薄膜（LAF）。CP-LAF由CS和PVA的混合溶液通過定向冷凍干燥輔助機械壓縮法制備而成。在定向冷凍過程中，模具底部與冷源接觸，形成自下而上的溫度梯度，將CS和PVA相從水溶液中分離出來，有序的冰晶開始沿著底部生長，形成聚合物的濃縮混合物。排列整齊的冰模板與溶質一起使材料形成垂直排列的結構。通過冷凍干燥，冰晶會升華為水蒸氣，留下由CS/PVA壁連接的平行層狀多孔結構氣凝膠。為了提高材料的尺寸穩(wěn)定性，氣凝膠沿著與冰晶生長方向垂直的方向被壓縮，得到了CP-LAF。
2.基于CP-AF的摩擦電材料的特性分析
CS和PVA之間優(yōu)異的界面相容性有助于氣凝膠通過壓縮從松散的多孔結構轉變?yōu)橹旅鼙∧ぁ饽z薄膜的結構對其表面形態(tài)、孔隙率、孔徑和比表面積等性能有很大影響。在氣凝膠薄膜的制備過程中，CS和PVA可以形成氫鍵，包括CS分子上的羥基和氨基以及PVA分子上的羥基之間的相互作用。
3.CP-AF摩擦電材料的摩擦電性能
以CP-AF為正摩擦電層，F(xiàn)EP膜為負摩擦電層，Cu為電極，制備了一種接觸分離模式的TENG。氣凝膠薄膜的結構對TENG的性能起著重要作用。CP-LAF具有較高的比表面積，為靜電感應提供了更多的形成位點；材料的縱向排列結構形成整齊緊密的排列結構，有助于更集中的靜電感應；此外，粗糙的微納米表面增加有效接觸面積。因此，以CP-LAF制備的TENG（CL-TENG）具有更高的輸出電壓。而且，它具有良好的穩(wěn)定性和作為自供電電源的潛力。
4. CP-LAF摩擦電材料在不同濕度條件下的摩擦電性能
評估了CP-LAF摩擦電材料在10 ~99 % RH范圍內短時間下的適應性。另外，還測量了CP-LAF在不同吸濕飽和狀態(tài)下的電性能，進一步研究了濕度對電性能的影響。結果表明，CP-LAF的多孔結構提供了更多的接觸位點，增強了親水基團在潮濕環(huán)境中與水分子形成強氫鍵的能力，允許結合的水分子參與摩擦充電過程，且CP-LAF和尼龍摩擦電的相對極性可以被水分子反轉，并逐漸變大。
5．用于自供電傳感和人體運動無線藍牙監(jiān)測的CP-LAF及可重復利用性
通過研究開路電壓信號在不同場景下的變化，評估了CP-LAF在自供電傳感中的潛在應用。研究表明，開路電壓與受到的壓力成正比，具備作為自供電壓力傳感器的潛力，且能識別人體肘部的擺動頻率和人體運動狀態(tài)。最重要的是，此傳感器不受環(huán)境濕度的影響，具有廣泛的適用性。CP-LAF可以在室溫下溶解于醋酸水溶液中，并可生產重復使用的再生氣凝膠膜；且能在3個回收周期后仍能保持良好的摩擦電性能。
04結論
本研究受天然木材的微觀結構啟發(fā)，采用定向冷凍干燥輔助機械壓縮法制備了一種仿生分層多孔結構氣凝膠膜基摩擦電材料。這種材料具備優(yōu)越和穩(wěn)定的輸出性能，在極端潮濕的環(huán)境（99 % RH，5000 次循環(huán)）中也表現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性，并且可回收利用。當暴露于99%RH的濕度飽和度下，TENG的電氣性能可以保持在日常環(huán)境中的160%，使其適用于自供電傳感和人體運動的無線監(jiān)測。本研究為提高具有濕度適應性和穩(wěn)定性的摩擦電材料的開發(fā)和利用提供了一種創(chuàng)新思路，所開發(fā)的材料在高濕度條件下的自供電傳感器應用中顯示出良好的潛力和前景。