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  摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）通過摩擦起電和靜電感應(yīng)的耦合，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，受到人們的廣泛關(guān)注。如何通過一種簡單、綠色、可規(guī)模化的方法制備輸出性能優(yōu)異、穩(wěn)定性高的摩擦納米發(fā)電機(jī)一直是摩擦納米發(fā)研究所面臨的重大挑戰(zhàn)。

  鑒于此，鄭州大學(xué)橡塑模具國家工程研究中心申長雨院士和劉春太教授團(tuán)隊(duì)提出了一種表面受限超臨界二氧化碳(scCO₂)發(fā)泡法，制備了一種無皮層且多孔熱塑性聚氨酯(TPU)薄膜，作為新型的正摩擦材料。通過壓縮成型，將TPU薄膜夾在兩個聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜之間。在發(fā)泡的過程中，PET膜減少了氣體逸出速率，保證了TPU薄膜表面泡孔的成長，從而產(chǎn)生了具有特殊結(jié)構(gòu)的無皮層多孔的TPU薄膜，增加了摩擦層的粗糙度和有效接觸面積，大幅度提高了TENG的輸出性能。通過對砂紙的復(fù)刻制備了與正摩擦電層形成互補(bǔ)結(jié)構(gòu)的聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜，進(jìn)一步提升了TENG的輸出性能。

  相關(guān)成果以“Skinless Porous Films Generated by Supercritical CO2 Foaming for High-Performance Complementary Shaped Triboelectric Nanogenerators and Self-Powered Sensors”為題，近期發(fā)表在國際權(quán)威期刊Nano Energy （DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106148）上。鄭州大學(xué)橡塑模具國家研究中心青年拔尖人才米皓陽和董斌斌副教授為文章共同通訊作者，鄭州大學(xué)橡塑模具國家研究中心2019級碩士研究生倪高磊為文章第一作者。

  本研究開發(fā)的基于無皮層TPU發(fā)泡薄膜的摩擦納米發(fā)電機(jī)具有良好的柔性、耐磨性、優(yōu)異的輸出性能、極強(qiáng)的性能穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，輸出性能隨著表面泡孔尺寸的減小逐漸增大。研究還驗(yàn)證了接觸分離式摩擦納米發(fā)電機(jī)中多孔結(jié)構(gòu)與表面互補(bǔ)結(jié)構(gòu)在增強(qiáng)發(fā)電性能中的重要作用。制備的基于TPU多孔膜和PDMS膜的納米發(fā)電機(jī)可獲得260 V的最高輸出電壓和46 μA的輸出電流。在外接3.3×10⁶ Ω負(fù)載時，實(shí)現(xiàn)了4.6 W/m²的最大功率密度，可作為許多小型電子設(shè)備的電源。

圖1.超臨界二氧化碳（scCO₂）表面受限發(fā)泡的原理圖（a）和在不同的發(fā)泡工藝條件下的發(fā)泡材料基摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出性能（b,c）及功率密度圖（d）。

  此外，制備的柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)具備優(yōu)異的摩擦電性能和自供電傳感性能。能夠?yàn)殡娙萜鞒潆姡园l(fā)點(diǎn)亮LEDs，驅(qū)動計(jì)算器等小型電子器件；還能夠檢測諸如拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)等變形，以及監(jiān)測人行走步態(tài)的變化等。

圖2.發(fā)泡材料基摩擦納米發(fā)電機(jī)摩擦電性能和自供電傳感性能。

  該研究通過超臨界二氧化碳（scCO₂）表面受限發(fā)泡法制備了可用做摩擦發(fā)電機(jī)正電極的性能優(yōu)異的TPU多孔薄膜，為批量化制備高性能TENG提供了一種綠色、高效的新方法，并為設(shè)計(jì)具有互補(bǔ)結(jié)構(gòu)的摩擦材料，提供了新見解。該研究得到了國家自然科學(xué)基金（12072325）和國家重點(diǎn)研究計(jì)劃（2019YFA0706802）的資助。

  文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106148