我校纤维材料改性国家重点实验室游正伟教授团队在可穿戴纳米能源领域取得新进展

发布时间:2019-09-06发布部门:材料科学与工程学院

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近期,我校纤维材料改性国家重点实验室游正伟教授团队在可穿戴纳米能源领域取得新进展,相关研究成果以《适用于宽温度范围能量收集及传感的高拉伸、高透明、高稳定离子凝胶基摩擦纳米发电机》(Ionogel-based, highly stretchable, transparent, durable triboelectric nanogenerators for energy harvesting and motion sensing over a wide temperature range, Nano Energy 2019, 63, 103847)为题,发表在著名学术期刊《纳米能源》(Nano Energy)上。该论文的第一作者为材料科学与工程学院博士生孙利杰,游正伟教授为该论文的通讯作者,管清宝副教授为论文的共同作者。

近年来,柔性可穿戴电子设备的蓬勃发展给人们带来便捷智能的生活,但是其续航和能源供应问题限制其发展,如何为其提供持续有效、绿色环保安全的电能成为亟需解决的问题。摩擦纳米发电机(Triboelectric nanogenerator, TENG)能够收集各种形式的机械能(包括人体运动的能量)转换成电能,成为持续地为可穿戴电子设备提供动力的潜在选择。为了适应人体组织的力学性质和其频繁的运动,理想的摩擦纳米发电机还应具有柔软、可拉伸的性能。

弹性的基底材料是实现上述理想摩擦纳米发电机构筑的关键。东华大学纤维材料改性国家重点实验室游正伟教授团队长期从事弹性体材料研究,主要在可降解聚酯类生物弹性体领域开展了一系列工作,并研究了这些弹性体的3D打印,进而和纳米材料(CNT)等的复合,构建了3D打印定制化的基于TENG的可穿戴电子设备。以上工作主要基于固态的弹性电子导体,这类材料在拉伸时电阻会显著增加,甚至破坏导电单元之间的接触而失去导电性。离子导体由于其柔软,可拉伸,透明等特点被认为是电子导体的重要补充,近年来在可拉伸电子领域备受关注。在近期该团队的管清宝副教授研制了光热响应的自愈合水凝胶基的摩擦纳米发电机(Hydrogel-based triboelectric nanogenerator, H-TENG)。然而,H-TENG中的水凝胶材料在使用中有两个主要缺点。首先是它们的保水能力差。随着水从水凝胶中蒸发,水凝胶的离子电导率和透明度显著降低,最终导致性能降低,甚至丧失。第二个缺点是应用的温度范围窄。在0 °C以下,传统的水凝胶会结冰,变得僵硬并严重限制离子传输。在高温下,则会加速水分蒸发。因此,水凝胶不适合在干燥,低温和高温环境中长期应用。

离子凝胶是一种以离子液体为分散介质的新型凝胶。离子液体优异的热稳定性、化学稳定性和难挥发等特点能够有效地解决上述水凝胶的问题。据此,东华大学游正伟教授团队设计开发了一种基于离子凝胶的摩擦纳米发电机(Ionogel-based triboelectric nanogenerator, I-TENG),其既具有H-TENG的高透明性和拉伸性,又有效地拓宽了离子导体基TENG的使用温度范围(图1)。


图1. 离子凝胶基摩擦纳米发电机的设计示意图。

他们设计了一种3-甲基(甲基丙烯酰氧基乙基)铵丙烷磺酸盐丙烯酸共聚物为三维网络,离子液体[1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺([EMI] [DCA])]为分散介质的离子凝胶。离子凝胶具有良好的拉伸性(~800%)和离子电导率(1.1 mS cm-1)。由其构筑的I-TENG具有高拉伸性(>400%),高透明度(>90%)和良好的耐疲劳性(抗1000次100%拉伸),同时其电输出性能保持稳定至少1个月(图2)。更重要地,I-TENG在-20℃(图2)至100℃(图3)的宽温度范围内保持高拉伸性和电输出性能。I-TENG既可用于生物机械能量收集,有效地驱动可穿戴电子设备,也可用于自供电的人体运动传感。该研究提供了一种新型的TENG,在可穿戴电子,电子皮肤和人工智能等领域有广阔的应用前景。



图2. 在30℃(a-d)或100℃(e-f)下,相对湿度为30%的干燥环境中I-TENG(a-f)与H-TENG(a, d)稳定性比较


图3 水凝胶、离子凝胶和双电极I-TENG的低温耐受性。

该研究工作得到了国家自然科学基金、上海市自然科学基金、东华大学励志计划等基金的大力资助。

文章链接:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.06.043


视频:   摄影: 撰写:游正伟  信息员:星禧  编辑:王洁洋

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