【儀表網 儀表研發】摩擦納米發電機(TENG)具有結構簡單多樣、輸出穩定、能量轉換效率高的優點，為物聯網系統(loT)的持續運行提供了有效的能源供給。以導電水凝膠作為電極材料的水凝膠基摩擦納米發電機(H-TENG)具有較好的柔性與拉伸性能，在拉伸、彎曲、折疊、按壓等復雜狀態下仍能正常工作，在柔性可穿戴設備領域和大形變自供能應用中具有獨特優勢。
傳統水凝膠普遍存在力學強度差的問題，導致現有的H-TENG面臨著容易遭到物理損壞、安全使用壽命短等困境，自修復水凝膠材料為延長TENG的使用壽命提供了思路。但在實際操作中，仍然存在自修復TENG力學強度不足，斷面難以精準對接，修復時間長，修復后的性能下降等問題。如何提高H-TENG的使用壽命依然是該領域研究面臨的一個重大挑戰。
中國科學院寧波材料技術與工程研究所智能高分子材料團隊致力于功能與智能高分子水凝膠的研究。近日，智能高分子材料團隊陳濤研究員、魏俊杰博士與寧波大學王文欽副教授合作，基于Hofmeister效應，利用溶劑置換的方法制備了高強度抗撕裂導電水凝膠(BRCH)和以此構建的新型摩擦納米發電機(BRCH-TENG)，有效增強了水凝膠的抗外力破壞能力，從根本上延長了H-TENG的安全使用壽命。該工作以“Breakage-resistant Hydrogel Electrode Enables Ultrahigh Mechanical Reliability for Triboelectric Nanogenerators”為題發表在Chemical Engineering Journal上(DOI：10.1016/j.cej.2022.140261)。
該工作通過溶劑置換將有機凝膠中的二甲亞砜溶劑置換為電解質溶液，制備得到了高力學強度抗撕裂導電水凝膠。在溶劑置換過程中，隨著電解質溶液的加入，淀粉高分子網絡在Hofmeister效應下發生纏繞，形成物理交聯的空間網絡(圖1)，使水凝膠的力學性能得到增強。另一方面，通過引入電解質溶液，大量自由離子進入水凝膠網絡中，顯著提高了BRCH的導電性。BRCH具有優異的力學性能，其最大壓縮應力達到5.6 MPa，斷裂能達到7.45 kJ/m2, 抗穿刺應力達到15 MPa，顯著高于傳統水凝膠電極。利用該水凝膠構建的BRCH-TENG具有極佳的力學可靠性，在遭受錘擊等外力沖擊后依然能夠穩定地輸出能量，實現了BRCH-TENG在高沖擊環境下的穩定工作，為改善H-TENG的環境適應性，從根本上延長其物理使用壽命提供了可行的新思路和新方法。同時，該BRCH-TENG在步幅識別、隱秘通訊等領域都展現了良好的應用前景(圖2)。
該工作得到了國家重點研發計劃(2022YFB3200071)、國家自然科學基金(52103152)、中國博士后科學基金(2021M690157、2022T150668)、寧波市自然科學基金(2121J206、20221JCGY010301)、中德合作國際交流項目(M-0424)以及王寬誠教育基金(GJTD-2019-13)等項目的支持。（智能高分子材料團隊 李睿）
圖1 BRCH-TENG的制備及應用
圖2 BRCH-TENG在高沖擊環境中的應用
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