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廣西大學王雙飛院士團隊 CEJ：仿生木結構使氣凝膠摩擦電材料具有濕度適應特性

2024-08-30 來源：高分子科技

摩擦納米發電機（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，在物聯網的新時代展現出廣闊的發展前景。但在高濕度環境中，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境污染等問題。因此，開發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。

近日，王雙飛院士團隊段青山博士課題組受天然木材各向異性結構的啟發，通過定向冷凍干燥輔助機械壓縮工藝制備了一種具有優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）。CP-LAF的各向異性結構和粗糙表面可以改善TENG的電性能。而且，組分之間的緊密纏結使孔隙變小，各向異性的多孔結構為親水基團和水分子形成更多的氫鍵提供了豐富的活性位點，產生了更多的結合水參與摩擦充電過程。材料在極濕環境（99％RH）下達到飽和時，材料的摩擦電性能可以長時間保持高水平和高穩定性。基于 CP-LAF 的 TENG (CL-TENG) 在 99% RH 下表現出高達 342 V 的開路電壓，比 50% RH 下高 1.6 倍。此外，在循環 3 次后，其電壓仍能保持 95.3%。這項研究為制備在極端濕度環境下保持高輸出的摩擦電材料提供了一種簡單有效的策略，并展示了 CL-TENG 在能量收集和自供電傳感器方面的巨大潛力。

圖1. 仿生物氣凝膠薄膜的設計策略、結構及應用

圖2. 基于 CP-LAF 的摩擦電材料的表征

圖3. CP-LAF的摩擦電特性

圖4. CL-TENG的濕度增強和穩定性

圖5. CP-LAF用于自供電傳感和人體運動的無線藍牙監測

以上研究成果以“Bionic wood-inspired structure enables aerogel film triboelectric material with humidity adaptation”為題，發表于《Chemical Engineering Journal》上，廣西大學研究生張葉、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。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.154906

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（責任編輯：xu）

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