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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（Triboelectric nanogenerator, TENG）能夠收集各種形式的機械能（包括人體運動的能量）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)和其頻繁的運動，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)纖維材料改性國家重點實驗室游正偉教授團隊長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，這類材料在拉伸時電阻會顯著增加，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，透明等特點被認(rèn)為是電子導(dǎo)體的重要補充，近年來在可拉伸電子領(lǐng)域備受關(guān)注。在近期該團隊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（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主要缺點。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。第二個缺點是應(yīng)用的溫度范圍窄。在0 °C以下，傳統(tǒng)的水凝膠會結(jié)冰，變得僵硬并嚴(yán)重限制離子傳輸。在高溫下，則會加速水分蒸發(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)游正偉教授團隊設(shè)計開發(fā)了一種基于離子凝膠的摩擦納米發(fā)電機（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)電機的設(shè)計示意圖。

  他們設(shè)計了一種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），同時其電輸出性能保持穩(wěn)定至少1個月（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既可用于生物機械能量收集，有效地驅(qū)動可穿戴電子設(shè)備，也可用于自供電的人體運動傳感。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。該項工作得到了國家自然科學(xué)基金、上海市自然科學(xué)基金、東華大學(xué)勵志計劃等基金的資助。

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