顆粒在線訊：文章簡介

可拉伸摩擦納米發(fā)電機（TENGs）是一種可以將生物機械能轉(zhuǎn)化為電能的高效能量采集器件，近些年在可穿戴電子領(lǐng)域備受關(guān)注。離子凝膠是一類很有前途的可拉伸TENGs電極材料。然而，大多數(shù)離子凝膠材料仍然很難同時實現(xiàn)和平衡諸如透明、可拉伸、較高機械強度、自修復(fù)性能等功能；其次，它們的聚合網(wǎng)絡(luò)大多是由不可再生單體通過復(fù)雜苛刻的聚合條件構(gòu)建；此外，大多數(shù)離子凝膠材料的聚合物基質(zhì)是不可回收利用的。因此，開發(fā)同時滿足可再生起始原料、簡便制備、多功能集成和可回收特性的離子凝膠材料仍然具有很大的挑戰(zhàn)性。

針對以上問題，華南理工大學(xué)祁海松教授團隊在前期生物質(zhì)小分子α-硫辛酸離子凝膠工作的研究基礎(chǔ)上（Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1902467; ACS Appl. Mater. Interfaces. 2020, 12, 21528?21538; J. Mater. Chem. A, 2021, 9, 13115.），進一步開發(fā)了一種羥丙基纖維素（HPC）在α-硫辛酸（LA）熔融液中熔融聚合構(gòu)建具備多功能和可回收性能的雙網(wǎng)絡(luò)離子凝膠的方法（圖1）。這種基于生物質(zhì)分子的合成方法極其簡單、方便，綠色，同時也為纖維素材料在熔融加工領(lǐng)域提供了新的借鑒。

圖1. a) 離子凝膠的制備示意圖；b) 離子凝膠雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖；c) 通過簡單的加熱-冷卻過程回收破損的離子凝膠。

圖2. a) I-TENG在不同外接電阻下的輸出電壓、電流密度和功率密度；b) 在2Hz的接觸分離運動1000次循環(huán)下I-TENG的輸出電能耐久性；c) 離子凝膠四次切割-愈合循環(huán)下的實時電阻測試; d) I-TENG在5次愈合中的輸出電壓；e) I-TENG在原始狀態(tài)和不同的拉伸狀態(tài)下的照片；f) I-TENG在初始狀態(tài)和不同拉伸狀態(tài)下的輸出電壓; g) 離子凝膠的熱重曲線；h) 離子凝膠在升溫過程中的流變曲線；i）I-TENG與水凝膠基TENG在80℃下儲存8 h前后輸出電壓的比較；j) 回收后I-TENG的輸出性能。

圖3. a) I-TENG為16個商用LED燈供電；b) 黏附在人體胳膊上的I-TENG為16個商用LED燈供電；c) 自供電系統(tǒng)電路圖; d) I-TENG驅(qū)動電子手表；e) 不同接觸頻率下I-TENG為22 μF電容充電曲線；f) 同一接觸頻率下I-TENG為不同電容充電曲線; g) I-TENG實時驅(qū)動電子手表的充放電曲線；h, i） I-TENG作為自供電可穿戴傳感器檢測手指和膝蓋的彎曲運動；j) I-TENG作為自供電觸摸設(shè)備用于識別手寫的英文字母。

文章亮點

1、HPC分子鏈的羥基與聚硫辛酸分子鏈上豐富的羧基借助高密度氫鍵相互作用成功地構(gòu)建了由非共價氫鍵和共價二硫鍵介導(dǎo)的雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通過調(diào)控HPC的含量，離子凝膠的性能得到了優(yōu)化，同時實現(xiàn)了良好的拉伸性能（624%）、機械強度（0.56 MPa）、高透明度（84.7%）、抗紫外性、適宜導(dǎo)電率（7.4×10-3 S/m）、高自修復(fù)效率、熱穩(wěn)定性、優(yōu)異的機械耐久性和完全可回收利用的特性。

2、利用離子凝膠作為功能電極，成功組裝了一種透明、可拉伸的單電極摩擦納米發(fā)電機（I-TENG），其可以在3Hz的固定頻率下收集生物機械能并將其轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的電能（80 V、2 μA、27 nC），最大功率可達67.9  mW/m2。除此之外，這種納米摩擦發(fā)電機還能在拉伸、高溫儲存后、長期運行、機械損傷以及回收后保持良好的電能輸出（圖2）。這在已報道的可拉伸摩擦納米發(fā)電機中并不常見。

3、I-TENG作為綠色電源可以為商用LED燈和電子手表等小型電子產(chǎn)品供電。除此之外，回收前后的I-TENG也被證明可作為自供電應(yīng)變傳感器通過可靠和可逆的電壓變化來監(jiān)測人體手指和膝蓋的彎曲。I-TENG同時呈現(xiàn)出壓力依賴的電壓響應(yīng)性，使不同的英文字母在響應(yīng)手寫運動時不會出現(xiàn)遲滯現(xiàn)象（圖3）。

總結(jié)

綜上，這項工作不僅為纖維素材料的熔融加工開辟了一條新途徑，也推動了生物質(zhì)小分子硫辛酸在構(gòu)建雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)離子凝膠方面的探索與發(fā)展。該研究成果近期以“Cellulose melt processing assisted by small biomass molecule to fabricate recyclable ionogels for versatile stretchable triboelectric nanogenerators”為題，發(fā)表在《Nano Energy》 （10.1016/j.nanoen.2021.106619）上。華南理工大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院的博士研究生黨超為該文章第一作者，通訊作者為華南理工大學(xué)祁海松教授和大連工業(yè)大學(xué)邵長優(yōu)博士。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106619