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  基于摩擦起電和靜電感應原理的摩擦電納米發電機(TENGs)由于簡單的結構和優異的輸出性能，機械能收集與自供能傳感領域得到廣泛應用。然而，目前多數TENG存在著諸如制備工藝復雜，成本高，耐久性差，難以實現規模化生產等問題，從而極大降低了設備靈活性及耐用性。此外，大多數TENGs缺乏封裝保護，導致摩擦電荷易受水汽等環境干擾。并且，當前額外封裝策略（如硅膠外包裝）雖提升耐候性，卻加劇組裝復雜度，且在非均勻壓力下易失穩，制約高性能TENG的規模化應用。

  近日，青島科技大學超臨界發泡團隊聯合鄭州大學橡塑模具國家工程中心，基于環保和可持續理念，通過一種創新的環境可持續性一步周邊約束發泡（PCF）方法，開發了一種仿生自支撐自封裝穹頂結構摩擦納米發電機（DTENG），極大地提升了TENG的穩定性和耐用性。在PCF中，壓力釋放導致泡沫膨脹，周邊約束導致泡沫不均勻膨脹，從而形成了宏觀穹頂結構。由于自支撐和自封裝的結構以及穹頂結構，優化后的DTENG展示出 263 V 的高開路電壓（Voc）和107.7 mW/m²的功率密度。此外，由于其堅固的結構和封閉的構造，DTENG 展示出極高的耐用性，可承受60,000次循環，且具有抗紫外線、抗溫度和抗腐蝕的性能。特別是，DTENG 已通過連續水下運行和車輛碾壓后的穩定性測試。基于這些性能優勢，DTENG 在惡劣環境下的自供電傳感方面展現出巨大潛力，并被設計用于實現對水流的自主控制和實時監測。這項工作為高性能且耐用的仿生TENG的可擴展和可持續發展提供了新策略。

圖1. a) 展示TENGs簡單制備與摩擦電性能之間矛盾關系的示意圖；b) DTENG的橫截面宏觀形貌圖及海洋中的水母圖片；c)DTENG通過一步法超臨界CO₂ (scCO₂)周邊約束發泡的成型原理圖；d) scCO₂發泡前后DTENG宏觀形貌對比；e) DTENG結構設計的分解視圖；f) DTENG與報道的類似穹頂結構研究相比的突出優勢。

圖2. a) 使用平滑表面和圖案化表面PDMS組成的DTENG的開路電壓(Voc)結果；b) 不同發泡溫度下制備的DTENG中穹頂結構TPU層的橫截面掃描電鏡(SEM)圖和 c) 發泡特性表征(n = 5)；d) 在70至130℃發泡溫度下制備的DTENG的開路電壓(Voc)和e) 短路電流 (Isc)；f) 不同發泡溫度下制備的DTENG的側視光學照片；g) 不同發泡溫度下制備的DTENG的厚度及開路電壓(Voc)統計結果。

圖3. a) 展示DTENG在外力作用下變形過程的照片；b) DTENG在按壓和釋放循環中工作機理的示意圖；c) DTENG從釋放狀態被按壓至壓縮狀態時摩擦電勢變化的模擬結果；d) 使用不同壓縮力按壓DTENG時，其短路電流(Isc)和開路電壓(Voc)的擬合曲線；e) DTENG的開路電壓 (Voc) 和f) 短路電流(Isc)隨沖擊頻率在1至4 Hz范圍內變化的情況；g) DTENG在50 N壓力下連續運行60,000次(15,000秒)的開路電壓(Voc)和h) 短路電流 (Isc) 長期穩定性。

圖4. a) 經過紫外線照射后最優DTENG的短路電流(Isc)；b) 經過極端溫度處理后最優DTENG的短路電流 (Isc)；c) DTENG和發泡前樣品的紅外熱成像圖； d) DTENG的抗壓測試；e) 水下測試中用手指捏壓時測得的短路電流 (Isc) 信號；f) 不同濕度水平后最優DTENG的短路電流(Isc)；g) 經過鹽酸溶液、氯化鈉溶液和氫氧化鈉溶液腐蝕處理后最優DTENG的短路電流(Isc)；h) 外部環境中干擾DTENG摩擦電性能的主要因素。

圖5. a) DTENG被一根手指和兩根手指觸摸時的開路電壓(Voc)信號；b) DTENG 被腳尖慢速和快速輕踏時的開路電壓(Voc)信號；c) 實時無線傳感系統的硬件和流程圖；d) 所開發傳感系統的具體物理連接圖；e) 無線傳感系統設計的工作界面；f) 通過手指按壓實現不同級別放水時對應的電信號。

  相關研究成果以Bioinspired Self-standing and Self-encapsulated Dome Architectured Triboelectric Nanogenerators with Exceptional Stability and Durability為題發表在《Advanced Functional Materials》（IF=19，中科院一區TOP期刊，DOI: 10.1002/adfm.202505747）。該成果以青島科技大學為第一署名單位，謝一兵博士為第一作者兼通訊，張振秀教授和劉春太教授為共同通訊。此研究工作得到國家自然科學基金、山東省自然科學基金、青島市自然科學基金、青島市博后項目等資助支持。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202505747