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  柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）因其可直接從人體運(yùn)動中收集機(jī)械能的特性，在可穿戴電子、健康監(jiān)測和智能交通等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。具有三維多孔結(jié)構(gòu)的聚合物材料因其高比表面積、優(yōu)異壓縮性和可設(shè)計(jì)性，成為優(yōu)化TENG性能的理想選擇。熱塑性聚氨酯（TPU）憑借其優(yōu)異的彈性和機(jī)械強(qiáng)度，是構(gòu)建多孔摩擦材料的理想基體，但其固有電導(dǎo)率不足限制了能量轉(zhuǎn)換效率。為了提高其摩擦電性能，例如通過表面改性來增強(qiáng)表面粗糙度和表面積（如激光/化學(xué)蝕刻、等離子體處理、化學(xué)電鍍和模板法等）以及在聚合物中引入各種填料以改善表面電氣化和介電性能（如碳納米管（CNTs）、碳黑（CB）、石墨烯、MXene、導(dǎo)電聚合物和金屬顆粒等）。然而，許多報(bào)道的TENG設(shè)備由于成本高、制造工藝復(fù)雜以及適用性不足，在大規(guī)模生產(chǎn)中仍然受限。因此，如何通過低成本、可規(guī)模化的方法制備兼具高彈性和導(dǎo)電性的多孔摩擦電材料，仍是該領(lǐng)域面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

  福建理工大學(xué)陳汀杰研究員團(tuán)隊(duì)，通過鹽模板法制備了一種CNT修飾的TPU@CNT海綿，這種工藝避免了復(fù)雜的化學(xué)修飾，且可通過調(diào)整鹽模板比例（優(yōu)化值為TPU-CNT/NaCl=1:1.5）精確控制孔隙率和孔壁厚度。該材料兼具高壓縮性（80%應(yīng)變）、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和導(dǎo)電性，可作為TENG的摩擦層和電極一體化材料。通過雙接觸起電效應(yīng)（表面接觸與孔隙內(nèi)自接觸協(xié)同），器件在100 MΩ負(fù)載下實(shí)現(xiàn)了252 V開路電壓、38 μA短路電流和1.642 W/m2的功率密度，性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)TPU基TENG。材料的摩擦電性能提升源于獨(dú)特的雙接觸起電機(jī)制。通過設(shè)計(jì)接觸-分離模式TENG器件，研究人員量化了表面接觸與體積自接觸的協(xié)同貢獻(xiàn)：當(dāng)TPU@CNT海綿與微結(jié)構(gòu)PDMS薄膜配對時(shí)，表面凹凸結(jié)構(gòu)對應(yīng)，產(chǎn)生初始界面電荷（177V）；而在壓縮階段，孔壁變形促使內(nèi)部裸露的CNT與TPU基體接觸，觸發(fā)二次電荷轉(zhuǎn)移（提升至252V）。這一現(xiàn)象可類比為在單一器件中實(shí)現(xiàn)了成千上萬個(gè)微尺度TENG的并聯(lián)效應(yīng)。電學(xué)測試表明，最佳CNT含量為6wt%，此時(shí)材料既保持結(jié)構(gòu)完整性（8000次循環(huán)后應(yīng)力保持率98.3%），又形成完善的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。值得注意的是，引入的CNT不僅作為電荷載體，其表面羧基和羥基還通過與TPU鏈的氫鍵作用增強(qiáng)了界面粘附力，這是持久耐用的關(guān)鍵。該TENG可驅(qū)動738個(gè)LED陣列，為電容器充電，并作為自供電傳感器精準(zhǔn)監(jiān)測人體運(yùn)動。在智能交通中，其嵌入道路后可利用車輛碾壓能量激活交通信號燈，同時(shí)實(shí)現(xiàn)橋梁超載監(jiān)測。這項(xiàng)工作為制備高性能多孔摩擦電材料提供了可擴(kuò)展方案，推動了自供電系統(tǒng)在柔性電子與智慧城市中的應(yīng)用。

圖1 TPU@CNT海綿制備過程、機(jī)理及其在自供電傳感器和智能交通系統(tǒng)中的應(yīng)用

圖2 TPU@CNT海綿的表征及力學(xué)性能

圖3 TPU@CNT海綿的壓阻傳感性能

圖4 TC-TENG三種接觸模式的摩擦電性能、Comsol仿真、內(nèi)部孔隙微電容接觸示意圖

圖5 TC-TENG的摩擦電性能及自供電傳感

圖6 基于TC-TENG的人體傳感及自供電傳感

圖7 TC-TENG應(yīng)用于智慧交通領(lǐng)域

  相關(guān)工作近期以“Hierarchical porous TPU@CNT sponge for high-performance triboelectric nanogenerators via dual contact electrification and self-powered sensing applications”為題發(fā)表在Chemical Engineering Journal期刊上。論文第一作者為福建理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院研究生王茵茵。論文通訊作者為福建理工大學(xué)陳汀杰研究員、彭響方教授和林肇星副教授。

  文獻(xiàn)鏈接：Hierarchical porous TPU@CNT sponge for high-performance triboelectric nanogenerators via dual contact electrification and self-powered sensing applications. Chemical Engineering Journal 521 (2025) 166530.

  https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894725073681