CEJ：基于动态共价键与超临界氮气发泡技术实现多孔生物基聚氨酯摩擦电材料的可持续制备

第一作者：张小冬

通讯作者：谢一兵*，张振秀*

单位：青岛科技大学

全球能源危机与环境污染推动了对可持续能量收集技术的迫切需求。摩擦纳米发电机（TENG）因高效机械能转换特性备受关注，但其材料面临不可回收、环境负担及耐久性差等瓶颈。现有动态共价网络虽赋予材料自修复能力，但受限于苛刻修复条件及石化原料依赖。此外，传统多孔材料制备工艺（如化学发泡）存在毒性污染问题，制约规模化应用。本研究提出基于生物基动态聚氨酯（PU）的创新策略，以超临界氮气（ScN₂）发泡技术为核心突破。该技术利用氮气为物理发泡剂，通过调控压力、温度，实现微纳孔隙精准构筑，避免化学污染。结合动态亚胺键的拓扑重组能力，ScN₂发泡协同优化孔径分布与孔隙率，降低密度至0.155 g/cm³，显著提升轻量化水平。实验表明，ScN₂发泡可同步增强孔壁均匀性与结构稳定性，为摩擦电界面提供高比表面积。引入导电炭黑（7 wt%）后，单电极TENG输出性能显著提升（开路电压161 V，短路电流151.3 μA）。该策略通过绿色工艺与动态化学协同，为柔性电子器件开发提供了兼具环境友好与高性能的新材料体系。

近日，来自青岛科技大学的谢一兵博士与张振秀教授，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Sustainable fabrication of porous bio-based polyurethane as triboelectric material realized by dynamic bond and ScN₂ foaming”的研究文章。该文章利用ScN₂为发泡剂，结合亚胺键制备了轻质柔性的多孔聚氨酯TENG电极材料。实现了材料绿色化制备的同时为柔性电子器件开发提供了兼具环境友好与高性能的新方案。

以香草醛衍生物为动态扩链剂，通过缩合反应合成含亚胺键（–C=N–）的生物基聚氨酯。该动态键在热刺激下可逆断裂/重组，赋予材料高效自修复性（6小时恢复率96.2%）与可循环加工性（二次回收后泡沫力学保留65.7%）。通过调控异氰酸酯指数（R=1.2–1.5），实现交联密度的梯度设计，结合硬段（TDI）与软段（PO3G）微相分离，使拉伸强度可调范围达8.76–21.58 MPa，激活能低至10.58 kJ/mol，显著优于传统动态材料。

采用ScN₂物理发泡技术，通过气体渗透-成核-生长的多尺度调控，构建轻质多孔结构。相较化学发泡，该技术避免有机溶剂污染，且通过熔体强度与发泡动力学的协同作用，优化粒径及孔径分布均匀性，实现密度0.155 g/cm³的轻量化设计，压缩强度达337 kPa（70%应变）。

引入导电炭黑（CCB）形成连续导电网络（隧道效应），结合多孔界面电荷捕获效应，使单电极TENG输出性能突破（Voc=161 V，Isc=151.3 μA，功率密度23.7 mW/m²）。同时，材料自修复与回收再加工后再次应用于TENG中依然具备良好的输出效果。并且，该材料成功应用于人体运动监测（步态信号区分度35±3 V vs. 50±5 V），为自供能柔性电子提供可持续解决方案。

Sustainable fabrication of porous bio-based polyurethane as triboelectric material realized by dynamic bond and ScN₂ foaming.

谢一兵博士简介：2023年6月毕业于郑州大学，获得工学博士学位。致力于高分子发泡材料的高效制备及其功能化研究，以第一作者发表相关论文5篇，申请发明专利2项。目前，主持山东省青年基金、青岛市青年基金、青岛市博后项目资助共3项，参与国家自然基金面上项目共2项。

张振秀教授简介：青岛科技大学教授，聚合物轻量化团队负责人，韩国国立庆尚大学客座研究教授。2011年毕业于韩国国立庆尚大学，获得工学博士学位。致力于超临界流体技术的开发应用以及聚合物微孔发泡材料的成型加工。承担国家自然基金2项，山东省自然基金1项，人社部归国留学人员“择优资助”项目1项，国际合作基金1项，横向课题50余项。以第一作者或通讯作者发表SCI论文70余篇。

课题组常年招收研究生，欢迎各位加入我们聚合物轻量化团队。