Bionic wood-inspired structure enables aerogel film triboelectric material with humidity adaptation
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https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.154906
01研究背景
摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）能夠從自然界中收集離散機(jī)械能并將其轉(zhuǎn)化為電能，可作為分布式電源和自供電傳感器，在物聯(lián)網(wǎng)的新時(shí)代展現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景。但在高濕度環(huán)境中，TENG的性能通常受到影響；粘附在摩擦層表面的水分子會(huì)帶走表面電荷，從而導(dǎo)致電荷耗散和功率輸出降低，這極大地限制了TENG的發(fā)展。雖然包封和疏水處理能增強(qiáng)TENG的防潮性能，但通常成本高、難度大且可能造成環(huán)境污染等問題。因此，開發(fā)具有高輸出性能和濕度適應(yīng)性的綠色摩擦電材料具有重要意義。
02文章概述
近日，王雙飛院士團(tuán)隊(duì)受天然木材各向異性結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，通過定向冷凍干燥輔助機(jī)械壓縮工藝制備了一種具有優(yōu)異濕度適應(yīng)性和摩擦電性能的殼聚糖/聚乙烯醇縱向氣凝膠薄膜（CP-LAF）。分層有序的多孔結(jié)構(gòu)和粗糙的表面增強(qiáng)了TENG的摩擦電性能。更重要的是，基于CP-LAF的TENG對(duì)高濕度環(huán)境具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性，在99 %RH 的環(huán)境下，其輸出電壓是50 %RH的情況下的 1.6 倍。此外，經(jīng)過 5000 次工作循環(huán)后，其電氣性能幾乎沒有下降。該工作以題為“Bionic wood-inspired structure enables aerogel film triboelectric material with humidity adaptation”發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》上，研究生張葉、彭偉卿和博士生章志君為共同第一作者，段青山博士為通訊作者，何娟霞博士、許貝、宋旭玲、栗劍鋒、羅懿、聶雙喜教授、梁東武副研究員參與研究。
03文章導(dǎo)讀
1.仿生氣凝膠膜的設(shè)計(jì)策略、制備與結(jié)構(gòu)
受木材各向異性結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了一種具有分層孔隙結(jié)構(gòu)的仿生縱向氣凝膠薄膜（LAF）。CP-LAF由CS和PVA的混合溶液通過定向冷凍干燥輔助機(jī)械壓縮法制備而成。在定向冷凍過程中，模具底部與冷源接觸，形成自下而上的溫度梯度，將CS和PVA相從水溶液中分離出來(lái)，有序的冰晶開始沿著底部生長(zhǎng)，形成聚合物的濃縮混合物。排列整齊的冰模板與溶質(zhì)一起使材料形成垂直排列的結(jié)構(gòu)。通過冷凍干燥，冰晶會(huì)升華為水蒸氣，留下由CS/PVA壁連接的平行層狀多孔結(jié)構(gòu)氣凝膠。為了提高材料的尺寸穩(wěn)定性，氣凝膠沿著與冰晶生長(zhǎng)方向垂直的方向被壓縮，得到了CP-LAF。
2.基于CP-AF的摩擦電材料的特性分析
CS和PVA之間優(yōu)異的界面相容性有助于氣凝膠通過壓縮從松散的多孔結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅鼙∧ぁ饽z薄膜的結(jié)構(gòu)對(duì)其表面形態(tài)、孔隙率、孔徑和比表面積等性能有很大影響。在氣凝膠薄膜的制備過程中，CS和PVA可以形成氫鍵，包括CS分子上的羥基和氨基以及PVA分子上的羥基之間的相互作用。
3.CP-AF摩擦電材料的摩擦電性能
以CP-AF為正摩擦電層，F(xiàn)EP膜為負(fù)摩擦電層，Cu為電極，制備了一種接觸分離模式的TENG。氣凝膠薄膜的結(jié)構(gòu)對(duì)TENG的性能起著重要作用。CP-LAF具有較高的比表面積，為靜電感應(yīng)提供了更多的形成位點(diǎn)；材料的縱向排列結(jié)構(gòu)形成整齊緊密的排列結(jié)構(gòu)，有助于更集中的靜電感應(yīng)；此外，粗糙的微納米表面增加有效接觸面積。因此，以CP-LAF制備的TENG（CL-TENG）具有更高的輸出電壓。而且，它具有良好的穩(wěn)定性和作為自供電電源的潛力。
4. CP-LAF摩擦電材料在不同濕度條件下的摩擦電性能
評(píng)估了CP-LAF摩擦電材料在10 ~99 % RH范圍內(nèi)短時(shí)間下的適應(yīng)性。另外，還測(cè)量了CP-LAF在不同吸濕飽和狀態(tài)下的電性能，進(jìn)一步研究了濕度對(duì)電性能的影響。結(jié)果表明，CP-LAF的多孔結(jié)構(gòu)提供了更多的接觸位點(diǎn)，增強(qiáng)了親水基團(tuán)在潮濕環(huán)境中與水分子形成強(qiáng)氫鍵的能力，允許結(jié)合的水分子參與摩擦充電過程，且CP-LAF和尼龍摩擦電的相對(duì)極性可以被水分子反轉(zhuǎn)，并逐漸變大。
5．用于自供電傳感和人體運(yùn)動(dòng)無(wú)線藍(lán)牙監(jiān)測(cè)的CP-LAF及可重復(fù)利用性
通過研究開路電壓信號(hào)在不同場(chǎng)景下的變化，評(píng)估了CP-LAF在自供電傳感中的潛在應(yīng)用。研究表明，開路電壓與受到的壓力成正比，具備作為自供電壓力傳感器的潛力，且能識(shí)別人體肘部的擺動(dòng)頻率和人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。最重要的是，此傳感器不受環(huán)境濕度的影響，具有廣泛的適用性。CP-LAF可以在室溫下溶解于醋酸水溶液中，并可生產(chǎn)重復(fù)使用的再生氣凝膠膜；且能在3個(gè)回收周期后仍能保持良好的摩擦電性能。
04結(jié)論
本研究受天然木材的微觀結(jié)構(gòu)啟發(fā)，采用定向冷凍干燥輔助機(jī)械壓縮法制備了一種仿生分層多孔結(jié)構(gòu)氣凝膠膜基摩擦電材料。這種材料具備優(yōu)越和穩(wěn)定的輸出性能，在極端潮濕的環(huán)境（99 % RH，5000 次循環(huán)）中也表現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性，并且可回收利用。當(dāng)暴露于99%RH的濕度飽和度下，TENG的電氣性能可以保持在日常環(huán)境中的160%，使其適用于自供電傳感和人體運(yùn)動(dòng)的無(wú)線監(jiān)測(cè)。本研究為提高具有濕度適應(yīng)性和穩(wěn)定性的摩擦電材料的開發(fā)和利用提供了一種創(chuàng)新思路，所開發(fā)的材料在高濕度條件下的自供電傳感器應(yīng)用中顯示出良好的潛力和前景。