由于智能生活理念的快速發(fā)展，能夠自供電和感知環(huán)境參數(shù)與用戶活動(dòng)信息的便攜式柔性設(shè)備已成為近年來增長最快的消費(fèi)電子產(chǎn)品之一。目前，由于傳統(tǒng)的電源如電池和電容器具有需要反復(fù)充電、不能變形、易燃、不利于環(huán)境保護(hù)的缺點(diǎn)，已經(jīng)成為阻礙便攜式柔性設(shè)備廣泛應(yīng)用的短板。在新興技術(shù)中，摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENGs）由于其靈活性、低成本、結(jié)構(gòu)簡單、輕質(zhì)、顯著的輸出性能、廣泛的材料選擇和工作環(huán)境的多樣性，已經(jīng)成為便攜式和柔性設(shè)備的理想候選電源之一。摩擦納米發(fā)電機(jī)由摩擦層和電極組成，基于摩擦起電和靜電感應(yīng)的耦合效應(yīng)，可以有效地將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。自被提出以來，該技術(shù)已經(jīng)在能量收集、自供電傳感器、生物醫(yī)學(xué)監(jiān)測和智能生活方面展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。然而，摩擦納米發(fā)電機(jī)在工作過程中所遭受的拉伸、擠壓、彎曲等周期性機(jī)械力會(huì)導(dǎo)致其產(chǎn)生損傷，使其整體性能下降，使用壽命縮短，甚至功能喪失。因此利用超分子化學(xué)來制備具有高機(jī)械強(qiáng)度、環(huán)境穩(wěn)定和高輸出性能的自修復(fù)摩擦電納米發(fā)電機(jī)具有重大研究意義。
吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院超分子結(jié)構(gòu)與材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李洋副教授課題組長期從事自修復(fù)彈性體的功能化研究。致力于通過超分子作用力來合成兼具自修復(fù)性能、機(jī)械性能與電學(xué)性能的彈性體并應(yīng)用于與各類柔性電子器件。近年來，該課題組在自修復(fù)彈性體制備電子器件方面取得了一些進(jìn)展：（1）具有高機(jī)械強(qiáng)度與高離子電導(dǎo)率的自修復(fù)離子凝膠傳感器(ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 57477–57485)。（2）可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定，高效，長壽光熱水蒸發(fā)性能的自修復(fù)親水多孔光熱膜 （CCS Chem. 2021, 3, 2494–2506）（3）高強(qiáng)度自修復(fù)離子凝膠用于制備高機(jī)械性和環(huán)境穩(wěn)定性的納米摩擦發(fā)電機(jī)（Nano Energy 2021，90， 106645）（4）室溫自修復(fù)離子凝膠用于高效穩(wěn)定的CO2分離 (J. Mater. Chem. A 2022, 10, 4695–4702)；谠谥苽渥孕迯(fù)功能材料與柔性電子器件方面的寶貴經(jīng)驗(yàn)，近期該課題組設(shè)計(jì)并報(bào)道了一種自修復(fù)的氟化聚（氨酯聚脲），并用于制備具有高機(jī)械性和環(huán)境穩(wěn)定性的多功能全修復(fù)摩擦電納米發(fā)電機(jī)。首先，作者通過由NH2-PDMS-NH2與IPDI的反應(yīng)合成了異氰酸酯封端PDMS，然后將得到的預(yù)聚物與擴(kuò)鏈劑（HFDD）反應(yīng)，得到所需的聚合物SF-PUUx，通過對SF-PUUx的優(yōu)化調(diào)節(jié)，最終選擇具有高強(qiáng)度、高介電、高輸出和優(yōu)異自修復(fù)能力的SF-PUU1作為最優(yōu)的摩擦層實(shí)驗(yàn)樣品。并且將SF-PUU1作為摩擦層與自修復(fù)離子凝膠電極組裝，獲得了一種輸出功率密度為2.75 W m-2的全修復(fù)納米摩擦發(fā)電機(jī)(FSI-TENG)。FSI-TENG在被灰塵污染后、儲(chǔ)存在-30 ?C或90 ?C環(huán)境中、浸泡在1 M鹽酸、氫氧化鈉溶液和海水中、折疊、踩踏和拍打都可保持其電輸出性能。因此，它可以作為一個(gè)高輸出的能量發(fā)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備，并作為一個(gè)靈敏的自供電傳感器，以滿足多個(gè)應(yīng)用場景的需求。更重要的是，全自修復(fù)的TENG可以充分恢復(fù)其機(jī)械性能、環(huán)境穩(wěn)定性和損傷后的輸出性能，有效保證了其良好的可靠性和使用壽命。
圖1. 自修復(fù)氟化聚（氨酯聚脲）的設(shè)計(jì)與合成。
圖2. 自修復(fù)氟化聚（氨酯聚脲）的優(yōu)化。
圖3. 全修復(fù)摩擦納米發(fā)電機(jī)的多場景應(yīng)用。
圖4. 全修復(fù)摩擦納米發(fā)電機(jī)修復(fù)性能的展示。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108243
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