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！
