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燕大馬金銘/焦體峰教授、納米能源所曹霞教授 Matter：一種基于光熱效應的透明柔性摩擦納米發電機用于防偽

2023-04-02 來源：高分子科技

柔性/可穿戴電子設備具有良好的靈活性、便攜性和生物相容性，在健康監測、電子皮膚、人機交互、傳感器等領域展現出潛在的應用前景。水凝膠/離子凝膠基柔性摩擦納米發電機能夠為柔性/可穿戴電子設備提供可形變的電源，有望拓寬此類設備的應用領域。凝膠類電極還具有廣泛且可調的結構與性能，可構筑智能材料，促進信息加密/解密技術的發展。黑磷（BP）是一種新興的二維納米材料具有優異的生物相容性和光熱性能，目前廣泛應用于光熱治療，但在防偽和保密通信等信息安全領域尚未見報道。

有鑒于此，燕山大學青年教師馬金銘/焦體峰教授、中科院北京納米能源與系統研究所曹霞教授，構筑了一種具有優異光熱性能的透明多功能復合水凝膠基摩擦納米發電機（Hy-TENG），不僅能夠收集人體運動機械能還可以實現信息防偽和保密通信。所制備的聚丙烯酰胺-瓊脂糖-硼砂-單寧酸修飾黑磷（PAM-agar-Na₂B₄O₇-TABP）復合水凝膠電極，具有良好的導電（0.574 S/m）、拉伸性能（>1000%）和透光率。基于TABP的光熱特性，紅外光（IR）可以靈活調控Hy-TENG的溫度，觸發打印在A4紙上的感溫油墨發生顏色變化，進而實現信息防偽和保密通信。相關成果以標題為“A transparent, flexible triboelectric nanogenerator for anti-counterfeiting based on photothermal effect”（DOI：10.1016/j.matt.2023.02.013）發表在國際著名期刊《Matter》上。燕山大學環境與化學工程學院博士研究生王冉為論文第一作者。此研究得到國家自然科學基金和河北省自然科學基金等資助支持。

圖 1 PAM基水凝膠的制備流程

通過簡單的方法制備了PAM-agar-Na₂B₄O₇-TABP復合水凝膠，其中AM單體聚合形成化學網絡，agar與Na₂B₄O₇之間形成硼酸酯鍵，agar和TA中存在的大量的羥基基團傾向于形成氫鍵。所制備的復合水凝膠具有良好的生物相容性、透明度、導電性和拉伸性，可應用于電子皮膚和可穿戴電子設備等領域。

圖2 Hy-TENG的電輸出性能

利用PAM-agar-Na₂B₄O₇-TABP水凝膠和金字塔結構化的聚二甲基硅氧烷（PDMS）構建的單電極柔性Hy-TENG，具有良好的電輸出性能，功率密度為149.8 mW?m^-2，能夠驅動小型電子設備。由于BP的光熱特性，還探究了不同TABP含量的Hy-TENG在不同IR照射時間下的輸出電壓變化，這種變化與BP的電子捕獲能力和電子轉移有關。此外，Hy-TENG具有優異的穩定性，在經過30 min的IR照射后仍能保持一定的電輸出性能，這為TENG在高溫環境中的潛在應用提供了保證。

圖 3 Hy-TENG的保密通信和防偽應用。

通過結合多功能打印機和感溫油墨探究了Hy-TENG用于保密通信和防偽的可行性。感溫油墨的顏色受環境溫度的影響，當溫度達到墨水的可逆變色溫度時，油墨的顏色會變淺甚至無色。采用多功能打印機打印防偽圖案，高溫油墨打印正確信息部分，低溫油墨打印虛假信息部分。由于TABP具有光熱特性，當Hy-TENG受到IR照射后溫度升高，低溫油墨打印的信息消失，從而實現對溫度敏感圖案的解密。而且感溫油墨的顏色變化是可逆的，一旦IR光移開，低溫油墨重新顯示，信息被重新加密。

通過簡單的策略制備了一種柔性、透明、具有光熱效應的PAM-agar-Na₂B₄O₇-TABP導電復合水凝膠，其作為柔性電極組成的Hy-TENG表現出高的功率密度（149.8 mW m^-2），可以收集機械能并驅動小型電子設備。此外，結合BP的光熱特性和多功能打印技術，研究了IR光誘導Hy-TENG升溫引起的感溫油墨的可逆顏色變化，從而完成信息的加密和解密，實現了BP在保密通信和防偽方面的探索。這項工作為多功能電子器件的設計和開發BP在防偽和保密通信等新領域的潛在應用提供了新思路。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.02.013

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（責任編輯：xu）

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