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  近日，西北工業大學孔杰、深圳大學黃龍彪和香港理工大學郝建華課題組合作報道了具有自修復、可裁剪的摩擦納米發電高分子復合材料，可制備成能有效監測人體關節等運動的自供能傳感器，同時可有效利用人體皮膚的紅外熱效應實現對受損器件的及時自修復（Adv. Funct. Mater., 2020, 1910723）。

  摩擦納米發電機（Triboelectric Nanogenerator，TENG）作為一種新興綠色能源技術，廣泛應用于能量收集和自供能傳感器領域。為提升摩擦納米發電機的使用壽命，自修復高分子材料能夠為其提供獨特的修復功能，在保證器件使用安全、延長壽命、節約資源等方面具有重要意義。有效利用人體紅外輻射，基于人體皮膚紅外熱效應的自修復高分子材料在相關領域鮮有報道。團隊在最近含可逆共價鍵拓撲高分子設計和制備（Compos. Sci. Technol., 2019, 174, 27-32、ACS Appl. Polym. Mater., 2020, doi: 10.1021/acsapm.9b01073）及TENG（Nano Energy, 2020，104593）的研究基礎上（，將可逆亞胺鍵（imine）與四重氫鍵（UPy）同時引入到聚合物網絡中，構建了具有良好力學性能的自修復彈性體。然后，將經UPy修飾的多壁碳納米管（MWCNTs-UPy）分散于聚合物基體中，得到MWCNTs-UPy/IU-PAM納米復合材料。該自修復材料能同時實現力學性能與電性能的雙重修復，并且保持優異的柔韌性。該納米復合材料在室溫下的自修復率高達97%。且在近紅外NIR照射下，由于碳納米管的光熱轉化效應，可實現其快速自修復功效（圖1）。

圖1 自修復納米復合材料的性能及表征

  通過摩擦納米發電機的器件結構設計，將所合成的自修復彈性體IU-PDMS作為摩擦層，MWCNTs-UPy/IU-PAM作為電極層，組裝得到單電極模式的自修復摩擦納米發電機（IU-TENG）。由于各層結構中都含有相同的動態單元（亞胺鍵與四重氫鍵），從而僅通過簡單重疊的方式，各層結構間便具有了良好的界面結合力。結果表明，器件能有效將機械能轉化為電能，并在外接負載30 MΩ時，達到最大輸出功率密度（300 mW/m²）。器件的開路電壓、短路電流和電荷轉移量分別達到95 V，9.5 μA和43nC，并能有效驅動30個以上LED發光（圖2）。此外，基于IU-TENG優異的自修復性與柔性，器件可被裁剪為任意形狀，經重新拼接修復后器件的輸出性能可以恢復如初（圖3）。

圖2 IU-TENG的制備、工作原理和輸出性能

圖3 IU-TENG的形狀可裁剪性能

  器件作為人體運動自供能傳感器以監測指關節彎曲，能夠實現30°-90°的彎曲檢測。同時，器件在受損后，可利用人體皮膚的紅外輻射促進受損器件的自我修復，也可以在NIR作用下實現快速修復。多重修復方式提升了器件使用的可靠性與安全性（圖4）。

圖4 自修復TENG用于人體關節運動監測

  以上工作以“Self-Healing, Flexible, and Tailorable Triboelectric Nanogenerators for Self-Powered Sensors based on Thermal Effect of Infrared Radiation”為題發表在Adv. Funct. Mater.（2020, 1910723）上。論文第一作者為西北工業大學博士研究生戴杏怡，通訊作者為西北工業大學孔杰教授、深圳大學黃龍彪副教授和香港理工大學郝建華教授。該工作得到了國家自然科學基金項目（21875190/51973119）、陜西省杰出青年科學基金（2018JC-008）和廣東省自然科學基金（2019A1515011566）、深圳市科技創新委（JCYJ20170818101245583）的支持。

  論文連接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201910723