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東華大學廖耀祖/孟楠團隊AFM:一體式共軛微孔聚合物氣凝膠用於摩擦電奈米發電機

2024-02-18 11:45:59

化石燃料的消耗引起生態問題及全球變暖,為此亟需開發可再生能源和能源收集新技術。自 2012 年問世以來,摩擦電奈米發電機 (TENG) 在能量收集領域佔據革命性地位。與傳統電源系統相比,TENG製造工藝簡單,具有明顯的成本效益優勢,並可與其他能量收集技術(例如壓電或電磁能量收集)整合,展現出巨大的應用前景。然而,製備耐用、高彈、輸出效能優異的TENG摩擦層材料具有挑戰性。針對此需求,東華大學廖耀祖/孟楠團隊提出“溶膠-凝膠可控轉變”設計策略,製備高機械強度、高彈性、高比表面積的一體成型共軛微孔聚合物氣凝膠(CMPA),得益於CMPA 的共軛電子傳輸特性及氣凝膠骨架結構,基於CMPA的TENG表現出優良的機械力敏感性和出色的電學輸出,可為微電子裝置充電,並可作為自供電感測器感知人體運動。

該研究中CMPA 透過 1,3,5-三(4-乙炔基苯基)-苯和 1,4-二溴苯之間的 Sonogashira-Hagihara 偶聯反應制得(圖1),所得 CMPA 由空心纏繞的奈米管組成,可透過改變單體比例調控其表面粗糙度和共軛程度(圖2)。使用表面最粗糙的CMPA組裝的TENG器件表現出最優越的電學輸出效能(Voc: 72 V,Isc: 3.2 μA,Q: 48 nC),並能在10,000次迴圈後效能穩定保持(圖3)。研究工作以“Monolithic Conjugated Microporous Polymer Aerogel for Triboelectric Nanogenerator”為題,發表在《Advanced Functional Materials》上,文章第一作者是東華大學孟楠副研究員,通訊作者為廖耀祖教授。

圖1. CMPA製備及形貌形成示意圖

圖2. CMPA形貌表徵

圖3. 基於CMPA的TENG電學輸出效能表徵

圖4. CMPA的供電及感測應用演示

此外,基於 CMPA 的 TENG 被證明在監測人體運動(如手指敲擊、握力放鬆和腳步踩踏)以及充電電容器、商用 LED 和行動式微電子裝置等應用中具有廣闊的前景(圖4)。這項工作不僅展示了一體式共軛微孔聚合物材料的製備,而且展示了高效能氣凝膠基TENG的設計,從而更好地解決能源利用問題。該研究工作獲得國家自然科學基金委、科技部、教育部、上海市科學技術委員會、上海市教育委員會的資助。

論文資訊:
N. Meng, Y. Zhang, W. Liu, Q. Chen, N. Soykeabkaew, Y. Liao, Monolithic Conjugated Microporous Polymer Aerogel for Triboelectric Nanogenerator. Adv. Funct. Mater. 2024, 2313534.

原文連結:
https://doi.org/10.1002/adfm.202313534

來源:高分子科學前沿

宣告:僅代表作者個人觀點,作者水平有限,如有不科學之處,請在下方留言指正!

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