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  近年來，柔性可穿戴電子設備的蓬勃發展給人們帶來便捷智能的生活，但是其續航和能源供應問題限制了發展，如何為其提供持續有效、綠色環保安全的電能成為亟需解決的問題。摩擦納米發電機（Triboelectric nanogenerator, TENG）能夠收集各種形式的機械能（包括人體運動的能量）轉換成電能，成為持續地為可穿戴電子設備提供動力的潛在選擇。為了適應人體組織的力學性質和其頻繁的運動，理想的TENG還應具有柔軟、可拉伸的性能。

  彈性的基底材料是實現上述理想TENG構筑的關鍵。東華大學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打印（Mater. 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）等的復合，構建了3D打印定制化的基于TENG的可穿戴電子設備（Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1805108）。以上工作主要基于固態的彈性電子導體，這類材料在拉伸時電阻會顯著增加，甚至破壞導電單元之間的接觸而失去導電性。離子導體由于其柔軟，可拉伸，透明等特點被認為是電子導體的重要補充，近年來在可拉伸電子領域備受關注。在近期該團隊的管清寶副教授研制了光熱響應的自愈合水凝膠基的摩擦納米發電機（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，水凝膠的離子電導率和透明度顯著降低，最終導致性能降低，甚至喪失。第二個缺點是應用的溫度范圍窄。在0 °C以下，傳統的水凝膠會結冰，變得僵硬并嚴重限制離子傳輸。在高溫下，則會加速水分蒸發。因此，水凝膠不適合在干燥，低溫和高溫環境中長期應用。

  離子凝膠是一種以離子液體為分散介質的新型凝膠。離子液體優異的熱穩定性、化學穩定性和難揮發等特點能夠有效地解決上述水凝膠的問題。據此，東華大學游正偉教授團隊設計開發了一種基于離子凝膠的摩擦納米發電機（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體基TENG的使用溫度范圍（圖1）。

圖1. 離子凝膠基摩擦納米發電機的設計示意圖。

  他們設計了一種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絡，離子液體[1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺([EMI] [DCA])]為分散介質的離子凝膠。離子凝膠具有良好的拉伸性（~800%）和離子電導率（1.1 mS cm^-1）。由其構筑的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%的干燥環境中I-TENG與H-TENG穩定性比較

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，有效地驅動可穿戴電子設備，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域有廣闊的應用前景。

  相關研究成果以“Ionogel-based, highly stretchable, transparent, durable triboelectric nanogenerators for energy harvesting and motion sensing over a wide temperature range”為題發表在《Nano Energy》上。該論文的第一作者為東華大學博士生孫利杰，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基金、上海市自然科學基金、東華大學勵志計劃等基金的資助。

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