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華南理工張水洞教授課題組 Small: 高結(jié)晶度PLA/mPEG正電材料用于提高摩擦納米發(fā)電機(jī)產(chǎn)電能力
2023-11-28  來源：高分子科技


  隨著柔性電子在智能化和便攜化領(lǐng)域的快速發(fā)展，開發(fā)和利用可持續(xù)的高性能電源已成為研究熱點(diǎn)。摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)作為一種新型的能量收集器具有柔韌、便攜、小型化等優(yōu)勢(shì)， 能夠?qū)⒅車h(huán)境中的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，成為實(shí)現(xiàn)可穿戴自供能電子設(shè)備的理想手段之一。然而，如何通過調(diào)控正電材料的結(jié)晶度和微觀結(jié)構(gòu)開發(fā)具有高摩擦產(chǎn)電材料，從而實(shí)現(xiàn)高輸出TENG的制備仍然極具挑戰(zhàn)。近期，華南理工大學(xué)機(jī)汽學(xué)院張水洞教授課題組采用聚乙二醇單甲醚(mPEG)增塑聚乳酸(PLA)，結(jié)合靜電紡絲技術(shù)制備出高結(jié)晶度（由5%提高至45.9%）和具納米結(jié)構(gòu)的PLA/mPEG纖維，將其作為正電材料制備輸入功率密度達(dá)116.21 W/m2的TENG，并能實(shí)現(xiàn)蜂鳴器的音樂演奏。


  盡管PLA作為生物降解材料在食品包裝、電子器件和醫(yī)療領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但其低結(jié)晶度和高剛性特性降低了其壓電效應(yīng)，同時(shí)固有的脆性和延展性差導(dǎo)致局部場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)較弱，進(jìn)而影響了電荷轉(zhuǎn)移效率，限制了基于PLA的TENG實(shí)際應(yīng)用。因此，為開發(fā)具有高功率密度的柔性TENG器件，調(diào)控PLA結(jié)晶度從而促使其電軸和機(jī)械組在小應(yīng)力下具有優(yōu)異的摩擦正電性至關(guān)重要。課題組之前的研究發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)控PEG的分子量和含量，能夠提高PLA分子鏈的運(yùn)動(dòng)能力，實(shí)現(xiàn)PLA的結(jié)晶度大幅度提升目的 (5到40%左右) (Polymers for Advanced Technologies. 2015, 26(5): 465-475)。同時(shí)，通過對(duì)摩擦層的微觀結(jié)構(gòu)和摩擦極性的調(diào)控，或者是基體的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)密度，均能有效提高TENG的摩擦電輸出性能(Xingxing Shi et al, Journal of Materials Chemistry A. 2020, 8 : 8997-9005，Wanjie Si et al, Journal of Materials Chemistry A, 2022, 10, 17464-17476)。有鑒于此，該課題組通過將聚乙二醇單甲醚(mPEG)加入聚乳酸(PLA)中大幅度提高PLA的結(jié)晶度，用以提升PLA材料的摩擦正電性。然后在靜電紡絲下制備PLA/mPEG納米纖維膜并用作摩擦正極材料，同時(shí)采用聚偏二氟乙烯-三氟乙烯（P(VDF-TrFE)）納米纖維膜作為摩擦負(fù)極材料。通過組裝具有相反極性的兩個(gè)摩擦層，獲得高功率密度摩擦電納米發(fā)電機(jī)。圖 1中XRD和DMA結(jié)果表明，mPEG的加入顯著提高PLA結(jié)晶度，增加其壓電效應(yīng)的敏感性。這些微觀結(jié)構(gòu)的演變有效促進(jìn)納米纖維內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移能力的提升，為摩擦電納米發(fā)電機(jī)的高效產(chǎn)電性能提供新的途徑。 


圖1. (a) PLA-mPEG薄膜的FTIR譜圖和(b)XRD譜圖。(c) PLA/mPEG納米纖維薄膜的儲(chǔ)存模量和(d) tanδ曲線。


  當(dāng)以PLA-mPEG（15% mPEG含量）納米纖維膜為摩擦正極時(shí)， P(VDF–TrFE)/PLA-15mPEG 摩擦發(fā)電機(jī)最大開路電壓值和最大短路電流值分別高達(dá)342.8 V和38.5 μA，如圖2所示。結(jié)果表明，通過摻入mPEG來調(diào)節(jié)PLA摩擦正極層的結(jié)晶度和微觀結(jié)構(gòu)，能顯著提高TENG的輸出性能。 


圖2. 不同濃度mPEG制備的P(VDF–TrFE)/PLA-mPEG TENGs的(a)開路電壓和(b)短路電流。


  當(dāng)負(fù)載電阻阻值為 106 Ω 時(shí)，P(VDF–TrFE)/PLA-15mPEG 摩擦發(fā)電機(jī)的輸出功率密度和最大輸出功率分別高達(dá)116.21 W/m2和 23.24 mW。此外，如圖3所示，TENG 在經(jīng)歷 104次按壓釋放循環(huán)中仍然表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和耐久性。 


圖3. (a, b) P(VDF–TrFE)/PLA-15mPEG TENG 在不同外部負(fù)載電阻下的輸出電壓、功率密度和輸出功率。(c, d) P(VDF–TrFE)/PLA-15mPEG TENG在104按壓釋放循環(huán)中前后 50 次循環(huán)測(cè)得的輸出電壓和電流。


  為了探究TENG 通過能量收集驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備的能力，將 TENG 收集的能量存儲(chǔ)在 22 μF 電容器中，然后將電容器與外部負(fù)載連接。如圖4所示， TENG 能夠?qū)⑹占臋C(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能為電容器、 LED 手環(huán)、 濕度計(jì)和溫度計(jì)等電子器件供電。 


圖4. (a) P(VDF–TrFE)/PLA-mPEG TENG 為電容器充電后驅(qū)動(dòng)電子器件的等效電路圖。(b) 通過 TENG 向 22 μF 電容器充電后驅(qū)動(dòng) LED 手環(huán)的電壓曲線，插圖顯示了被點(diǎn)亮的 LED 手環(huán)的數(shù)碼照片。(c) 22 μF 電容器的放大電壓曲線。(d) 溫度計(jì)和濕度計(jì)被點(diǎn)亮的數(shù)碼照片。 


圖5. (a) P(VDF–TrFE)/PLA-mPEG TENG 通過手指按壓產(chǎn)生的輸出電壓。(b) TENG在一次按壓?釋放循環(huán)中產(chǎn)生的輸出電壓。(c) P(VDF–TrFE)/PLA-mPEG TENGs 作為音符通過蜂鳴器播放音樂的數(shù)碼照片， (d) 用手指按壓作為音符的 TENGs 產(chǎn)生的輸出電壓。


  如圖5所示，TENG可以有效地收集手指按壓的微小機(jī)械能并將其轉(zhuǎn)換為電能。當(dāng)按下TENG音符時(shí)，信號(hào)處理系統(tǒng)接收輸出電壓信號(hào)。通過TENG和信號(hào)處理系統(tǒng)之間的實(shí)時(shí)通信，信號(hào)被傳輸?shù)狡ヅ涞姆澍Q器，然后蜂鳴器發(fā)出相應(yīng)音符的聲音。此外，當(dāng)按順序按下音符“Do，Do，So，So，La，La，So”和“Fa，Fa，Mi，Mi，Re，Re，Do”時(shí)，蜂鳴器可以播放“Twinkle Twinkle Little Star”的曲調(diào)。因此，P(VDF–TrFE)/PLA mPEG TENG可以檢測(cè)手指按壓信號(hào)，并通過TENG與信號(hào)處理系統(tǒng)之間的實(shí)時(shí)通信來完成音樂的播放。


  以上相關(guān)工作以“Boosting the Electrical Performance of PLA-based Triboelectric Nanogenerators for Sustainable Power Sources and Self-powered Sensing”為題，發(fā)表在《Small》雜志上（https://doi.org/10.1002/smll.202307620）。該研究工作由華南理工大學(xué)機(jī)汽學(xué)院的2016級(jí)博士生師星星（現(xiàn)任職于中山大學(xué)附屬第八醫(yī)院）完成，通訊作者是華南理工大學(xué)機(jī)汽學(xué)院的張水洞教授。上述工作是在國(guó)家自然科學(xué)基金（52203112）、深圳市科技計(jì)劃項(xiàng)目（RCBS20221008093103014）、中央高；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金（23qnpy155）的資助下完成。


  相關(guān)論文鏈接:

  [1] Xingxing Shi, Wanjie Si, Jingyi Zhu, Shuidong Zhang*. Boosting the Electrical Performance of PLA-based Triboelectric Nanogenerators for Sustainable Power Sources and Self-powered Sensing. Small. https://doi.org/10.1002/smll.202307620.

  [2] Xingxing Shi, Shuidong Zhang*, Shaoqin Gong*. A self-powered and arch-structured triboelectric nanogenerator for portable electronics and human-machine communication. Journal of Materials Chemistry A, 2020, 8, 8997-9005.

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