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陜科大王學(xué)川/劉新華/岳歐陽等 Adv. Energy Mater.:基于負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的可穿戴高效能量收集摩擦納米發(fā)電機(jī)
2024-04-05  來源:高分子科技

  近日,陜西科技大學(xué)生物質(zhì)與功能材料研究所王學(xué)川劉新華、岳歐陽報(bào)道了一種基于負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的可穿戴高效能量收集摩擦納米發(fā)電機(jī)。本研究制備的基于負(fù)泊松比超材料摩擦納米發(fā)電機(jī)Auxetic-TENG相比常用正泊松比材料可更高效吸收并轉(zhuǎn)化機(jī)械能為電能,具有更優(yōu)異的發(fā)電效率和檢測靈敏度。相關(guān)研究成果發(fā)表于國際能源領(lǐng)域頂級(jí)期刊Advanced Energy Materials上。


1 Auxetic-TENG的結(jié)構(gòu)示意圖


  提高摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)的信號(hào)強(qiáng)度和功率密度已經(jīng)得到了廣泛的研究,涉及極性材料的選擇及復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中靜電紡絲、激光蝕刻和模板法等技術(shù)代表了該領(lǐng)域的重要方向,然而高昂的制備成本阻礙了TENG的廣泛應(yīng)用。負(fù)泊松比超材料是一類泊松比小于零的特殊材料,在外力作用下表現(xiàn)出與傳統(tǒng)材料不同的力學(xué)行為,當(dāng)沿著一個(gè)軸被壓縮或拉伸時(shí),其會(huì)沿著另一個(gè)軸膨脹。這種獨(dú)特的拉脹性質(zhì)為負(fù)泊松比材料TENG中的潛在應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
在本研究中,在預(yù)壓縮后的負(fù)泊松比聚氨酯框架上包覆聚四氟乙烯負(fù)摩擦層,內(nèi)嵌正泊松比的天然膠原聚集體泡沫正摩擦材料,構(gòu)建整體為負(fù)泊松比特性的Auxetic-TENG該制備策略利用了在外界壓力下負(fù)泊松比超材料的收縮形變和內(nèi)部正泊松比膠原聚集體的膨脹特性,顯著增加外力作用Auxetic-TENG的接觸面積及機(jī)械能吸收并轉(zhuǎn)化為電能的效率。經(jīng)過測試,Auxtic -TENG的開路電壓與傳統(tǒng)的接觸分離TENG相比提高了4倍,功率密度達(dá)到4.2 W m?2。應(yīng)用實(shí)驗(yàn)表明在各種壓縮比和應(yīng)力條件下,Auxetic-TENG可以保持優(yōu)越的靈敏性和耐用性,突出其作為可穿戴自供電傳感器用于綜合醫(yī)療保健的潛力。 


Auxetic-TENG的工作機(jī)理示意圖及壓縮形變下的輸出性能


Auxetic-TENG彎曲形變下的輸出性能


  相關(guān)成果以“Auxetic structure-assisted triboelectric nanogenerators for efficient energy collection and wearably sensing”為題發(fā)表在Advanced Energy Materials上。感謝感謝國家自然科學(xué)基金(22308209、22278257),中國博士后基金項(xiàng)目2023BSHEDZZ279和陜西省博士后基金項(xiàng)目2023M732159對(duì)本工作的大力支持!


  原文鏈接:https://doi.org/10.1002/aenm.202400212

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