01 研究背景
物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展催生了大量功能性電子設(shè)備，為這些分布式設(shè)備供能逐漸成為一大挑戰(zhàn)。基于摩擦電的自供電技術(shù)因其材料選擇多樣和能量轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)勢，有望成為智能設(shè)備的理想供能解決方案。然而，傳統(tǒng)正極摩擦電材料由于介電常數(shù)較低導(dǎo)致靜電感應(yīng)較弱，同時受熱電子發(fā)射效應(yīng)影響，在高溫環(huán)境下電輸出顯著降低，限制了其應(yīng)用。02 文章概述近日，王雙飛院士團隊通過熱誘導(dǎo)交聯(lián)（HIC）策略構(gòu)筑了一種具有異質(zhì)界面的芳綸摩擦電材料。熱交聯(lián)設(shè)計顯著提升了芳綸摩擦電材料的介電性能、熱穩(wěn)定性和阻燃性，相對介電常數(shù)提高了16倍。使用該材料構(gòu)建的摩擦納米發(fā)電機的輸出功率密度可達3.97 W/m2，并在260 °C下保持穩(wěn)定的高摩擦電輸出。這為高性能高溫摩擦電材料的開發(fā)和應(yīng)用提供了堅實的基礎(chǔ)，為可擴展的自供電智能設(shè)備領(lǐng)域的發(fā)展提供了參考。這項成果以題為“Thermally Robust Aramid Triboelectric Materials Enabled by Heat‐Induced Cross‐Linking”發(fā)表在最新一期《Advanced Functional Materials》期刊上，王志偉副教授和2022級碩士研究生吳迪為本研究的共同第一作者，聶雙喜教授為通訊作者，遲明超、鄒雪蓮、王金龍、趙桐、張慧亞、朱云鵬、江柯漾、孟凡蓁等參與研究。
03 圖文導(dǎo)讀
1.具有異質(zhì)界面的芳綸摩擦電材料設(shè)計策略本研究提出了一種熱誘導(dǎo)交聯(lián)（HIC）策略，用于制備兼具高機械強度以及優(yōu)異摩擦電性能的芳綸摩擦電材料。實現(xiàn)異質(zhì)界面的關(guān)鍵在于保持AONS的均勻分散以及ANF的良好交聯(lián)。HIC策略有助于材料內(nèi)形成以氫鍵為主要相互作用的納米纖維網(wǎng)絡(luò)，ANF分子鏈與AONS充分交聯(lián)并形成異質(zhì)界面結(jié)構(gòu)。借助極性溶劑N-甲基吡咯烷酮，在納米尺度上改善了AONS的聚集。ANF與AONS界面間的大量氫鍵位點借助HIC形成新的氫鍵，賦予芳綸摩擦電材料優(yōu)異的機械強度（149.2 MPa）和介電常數(shù)（66.9 @ 1 kHz）。得益于材料優(yōu)異的性能，設(shè)計的自供電檢測系統(tǒng)有望滿足不同場景下的應(yīng)用需求。
圖1. 芳綸摩擦電材料的制備及應(yīng)用示意圖。
2.芳綸摩擦電材料的制備通過熱誘導(dǎo)交聯(lián)策略制備芳綸摩擦電材料。首先，芳綸纖維經(jīng)過去質(zhì)子化形成ANF分散液，之后，ANF再經(jīng)質(zhì)子化還原和均質(zhì)實現(xiàn)在水中的穩(wěn)定分散。ANF分子鏈作為穩(wěn)定框架，與AONS和c-MWCNT之間通過大量氫鍵鏈接并形成異質(zhì)界面結(jié)構(gòu)。最終通過真空輔助過濾與熱壓策略組裝成三維層狀芳綸摩擦電材料。結(jié)果顯示，熱交聯(lián)策略制備的芳綸摩擦電材料具有優(yōu)異的機械強度和熱穩(wěn)定性。圖2. 芳綸摩擦電材料的表征、機械性能和熱性能。
3.芳綸摩擦電材料的高介電性能及摩擦電性能圖3展示了具有異質(zhì)界面結(jié)構(gòu)的芳綸摩擦電材料對摩擦電輸出性能的影響。我們通過摩擦納米發(fā)電機（TENG）研究了材料摩擦電輸出性能。具有異質(zhì)界面結(jié)構(gòu)的芳綸摩擦電材料表現(xiàn)出顯著優(yōu)異的摩擦電性能，輸出功率密度達3.97W/m2,這主要是由于AONS的加入產(chǎn)生了極強的界面極化效應(yīng)，顯著增加了材料的介電常數(shù)，進而提高了摩擦電性能。此外，AONS和ANF之間強烈的界面極化也可產(chǎn)生更多的電子陷阱，這些深陷阱對摩擦電性能也具有一定貢獻。圖3. 芳綸摩擦電材料的摩擦電輸出性能。
4. 高溫環(huán)境下芳綸摩擦電材料的性能圖4展示了測試材料摩擦電性能的裝置示意圖。芳綸摩擦電材料在20-260 °C 的寬溫度范圍內(nèi)均可產(chǎn)生較高的電輸出，在260 °C下循環(huán)15000次后仍可保持穩(wěn)定電輸出，表明其在極端環(huán)境條件下具有穩(wěn)定的摩擦電性能。芳綸摩擦電材料與其他材料相對比，具有顯著更佳的高溫耐受性與摩擦電輸出能力。此外，芳綸摩擦電材料還具有良好的阻燃性，暴露在火焰中長達4分鐘后仍不會發(fā)生燃燒。圖4.芳綸摩擦電材料在高溫下的摩擦電輸出性能和阻燃性。
5. 用于自供電檢測的芳綸摩擦電材料芳綸摩擦電材料作為高熱穩(wěn)定性、摩擦電性能優(yōu)異的材料，在高溫環(huán)境下展示了顯著的應(yīng)用潛力。通過構(gòu)造旋轉(zhuǎn)摩擦納米發(fā)電機（R-TENG），借助芳綸摩擦電材料的優(yōu)越性能，實現(xiàn)了極佳的風(fēng)速傳感能力，兩種工作模式下的R2>0.99。R-TENG在高達80 °C的氣體環(huán)境中仍能保持穩(wěn)定的電輸出。此外，借助整流器、電容器和無線傳感設(shè)備設(shè)計的自供電檢測系統(tǒng)，可實現(xiàn)對高溫環(huán)境中特定氣體濃度的檢測。這些結(jié)果展示了基于芳綸摩擦電材料的自供電監(jiān)測系統(tǒng)在復(fù)雜高溫環(huán)境中的可靠性和實用性。圖5.由芳綸摩擦電材料構(gòu)建的R-TENG及其應(yīng)用。
03 結(jié)論本研究采用熱誘導(dǎo)交聯(lián)法制備了具有異質(zhì)界面的高介電阻燃芳綸摩擦電材料。該材料具有優(yōu)異的介電性能(εr=66.9)，優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性(最高熱解溫度為572 ℃)和優(yōu)異的摩擦電性能，功率密度為3.97 W/m2。此外，芳綸摩擦電材料表現(xiàn)出優(yōu)異的阻燃性，并能在20-260 ℃的寬溫度范圍內(nèi)保持極高的摩擦電性能。借助芳綸摩擦電材料的優(yōu)異性能，開發(fā)了一種風(fēng)速檢測和遠程自供電監(jiān)測系統(tǒng)。該研究為高性能高溫摩擦電材料的開發(fā)和應(yīng)用提供了新的途徑，在可擴展自供電檢測領(lǐng)域顯示出巨大的潛力和廣闊的應(yīng)用前景。原文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202413719