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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，在能量采集和自供能傳感中得到了廣泛的應用。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。傳統TENG往往將金屬電極置于器件外側，不僅影響了器件的柔性和舒適性，而且金屬電極容易在長期使用中被氧化或腐蝕，導致穩定性降低。在接觸分離式TENG中，通常需要使用墊片或彈簧來保持正負電材料間的空氣間隙，這無疑增大了器件的厚度和靈活性；長期使用中墊片或彈簧的滑動也會造成TENG穩定性的降低。因此，克服以上問題，研發高輸出、高穩定性的TENG綠色、規模化制備新方法是拓展其工程應用的關鍵。

  鄭州大學申長雨院士、劉春太教授團隊米皓陽教授課題組在《Nano Energy》期刊上發表了題為“Green Fabrication of Double-sided Self-supporting Triboelectric Nanogenerator with High Durability for Energy Harvesting and Self-powered Sensing”的文章（DOI：10.1016/j.nanoen.2021.106827）。基于環保和可持續理念，研制了具有超高耐久性和穩定性的雙面自支撐式摩擦納米發電機(DS-TENG)。利用真空熱壓工藝和超臨界二氧化碳(scCO₂)發泡技術，通過在內部嵌入不銹鋼網電極，一次成型具有凹凸陣列表面結構的多孔熱塑性聚氨酯(TPU)泡沫，并使用硅橡膠（Ecoflex）薄膜作為負極材料組裝了納米發電機與自供能柔性傳感器。DS-TENG將電極包埋與發泡材料內，不僅有效保護了電極，而且還實現了復合泡沫兩側微結構的同時利用，使單電極器件達到了雙電極器件的性能。而表面的凹凸陣列結構提供了電荷轉移的空氣層，起到了自支撐作用，顯著提升了DS-TENG的柔性和穩定性。通過長期的酸堿環境處理和4Hz頻率下高達50000次的循環測試，證實DS-TENG具有超高的耐久性和穩定性。最后，文章展示了DS-TENG作為自供能傳感器在監測人類行走步態和步頻，坐姿行為，以及協助拳擊手訓練方面的應用潛力。

圖1 a) DS-TENG的制備工藝b)不同目數不銹鋼網電極制備的TPU泡沫前后視圖照片c) DS-TENG組件示意圖d)單面和雙面TENG電位分布仿真結果e) DS- TENG從完全壓縮狀態恢復到釋放狀態時摩擦電勢變化的仿真結果f) I_sc, g) V_oc, h) Q_sc單面和雙面TENG輸出對比。

圖2 a) I_sc, b) V_oc, c) Q_sc為使用不同目數不銹鋼網格內嵌電極組裝DS-TENGs的輸出性能結果；d)內嵌不同目數不銹鋼網制作的TPU復合泡沫在俯視圖和橫截面的SEM圖像；e)DS-TENG有效接觸面積(ECA)示意圖；f) I_sc, g) V_oc, h) Q_sc為使用不同浸泡壓力制備TPU復合泡沫組裝的DS-TENGs的輸出性能結果；i) 不同飽和壓力下制備TPU復合泡沫的俯視圖和橫截面的SEM圖像;j) DS-TENG的ECA示意圖。

圖3 a) DS-TENG的工作原理示意圖；b) DS-TENG受壓和釋放過程的照片；c)不同壓力下DS-TENG的I_sc結果擬合曲線；d)頻率為2、3和4 Hz的DS-TENG的I_sc、V_oc和Q_sc統計結果；e) DS-TENG在12500 s內進行50000次循環的輸出結果；f) DS-TENG在酸性和堿性溶液中超聲浸泡的照片；g)酸堿處理后的I_sc測試結果和h) V_oc和Q_sc統計結果

圖4 a-c)安裝在鞋底的柔性DS-TENG實時監測人的步態、步頻；d-f)將DS-TENG放置在椅子上，監測人的坐姿行為；g-i)在沙袋上安裝DS-TENG，檢測拳手的沖力、沖量、沖擊時間。

  論文第一作者為鄭州大學橡塑模具國家工程中心博士研究生謝一兵。論文通訊作者為鄭州大學橡塑模具國家工程中心米皓陽教授。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106827

作者團隊簡介：

  米皓陽教授課題組長期從事高分子及其復合材料的成型加工方面研究，致力于多孔高分子材料的綠色制造與高性能化和功能化應用。歡迎相關專業同學報考。