申长雨院士和刘春太教授团队Nano Energy: 超临界CO2发泡制备无皮层多孔膜用于高性能互补摩擦电纳米发电机和自供电传感器- 大数跨境

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申长雨院士和刘春太教授团队Nano Energy: 超临界CO2发泡制备无皮层多孔膜用于高性能互补摩擦电纳米发电机和自供电传感器

科学材料站

2021-05-28

导读：该文章研究开发的基于无皮层TPU发泡薄膜的摩擦纳米发电机具有良好的柔性、耐磨性、优异的输出性能、极强的性能稳定性等优点，输出性能随着表面泡孔尺寸的减小逐渐增大。

文章信息

超临界CO2发泡制备的无皮多孔膜用于高性能互补摩擦电纳米发电机和自供电传感器

第一作者：倪高磊

通讯作者：米皓阳*，董斌斌*

单位：郑州大学橡塑模具国家工程研究中心

研究背景

摩擦纳米发电机（TENG）通过摩擦起电和静电感应的耦合，将机械能转化为电能，受到人们的广泛关注。如何通过一种简单、绿色、可规模化的方法制备输出性能优异、稳定性高的摩擦纳米发电机一直是摩擦纳米发电研究所面临的重大挑战。

鉴于此，郑州大学橡塑模具国家工程研究中心申长雨院士和刘春太教授团队提出了一种表面受限超临界二氧化碳(scCO2)发泡法，制备了一种无皮层且多孔热塑性聚氨酯(TPU)薄膜，作为新型的正摩擦材料。通过对砂纸的复刻制备了与正摩擦电层形成互补结构的聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜，进一步提升了TENG的输出性能。

该研究通过超临界二氧化碳（scCO2）表面受限发泡法制备了可用做摩擦发电机正电极的性能优异的TPU多孔薄膜，为批量化制备高性能TENG提供了一种绿色、高效的新方法，并为设计具有互补结构的摩擦材料，提供了新见解。

文章简介

相关成果以“Skinless Porous Films Generated by Supercritical CO2 Foaming for High-Performance Complementary Shaped Triboelectric Nanogenerators and Self-Powered Sensors”为题，近期发表在国际知名期刊Nano Energy （DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106148）上。

该文章研究开发的基于无皮层TPU发泡薄膜的摩擦纳米发电机具有良好的柔性、耐磨性、优异的输出性能、极强的性能稳定性等优点，输出性能随着表面泡孔尺寸的减小逐渐增大。研究还验证了接触分离式摩擦纳米发电机中多孔结构与表面互补结构在增强发电性能中的重要作用。

图1.超临界二氧化碳（scCO2）表面受限发泡的原理图。

本文要点

要点一：超临界二氧化碳（scCO2）表面受限发泡

众所周知，超临界二氧化碳（scCO2）发泡是一种绿色、安全、廉价的聚合物加工方法。然而，在泄压过程中，二氧化碳会从聚合物表面迅速析出，使聚合物表面的二氧化碳浓度急剧降低，达不到聚合物表面成核的条件，因此，总是显示出未发泡的皮层，形成典型的“皮芯结构”。

郑州大学橡塑模具国家工程研究中心申长雨院士和刘春太教授团队采用一种表面受限超临界二氧化碳(scCO2)发泡法。通过压缩成型，将TPU薄膜压在两个聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜之间。

在发泡的过程中，PET膜有效地减少了气体逸出速率，保证了TPU薄膜表面泡孔的成长，从而产生了具有特殊结构的无皮层多孔的TPU薄膜，增加了摩擦层的粗糙度和有效接触面积，大幅度提高了TENG的输出性能。

图2. 不同的发泡工艺条件下的发泡材料基摩擦纳米发电机输出性能及功率密度

要点二：互补结构的设计

尽管粗糙的表面可以促进接触带电过程中电荷的产生，但凹凸结构对TENG输出性能的影响尚未被完全阐明。

本研究，通过对砂纸的复刻制备了与正摩擦电层形成互补结构的聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜（表面具有向上的凸起结构），显著增加了摩擦过程中的有效接触面积，进一步地提升了TENG的输出性能。制备的柔性摩擦纳米发电机具备优异的摩擦电性能和自供电传感性能。

能够为电容器充电，自发点亮LEDs，驱动计算器等小型电子器件；还能够检测诸如拉伸、弯曲、扭转等变形，以及监测人行走步态的变化等。

图3. 发泡材料基摩擦纳米发电机摩擦电性能和自供电传感性能。

本文链接

“Skinless Porous Films Generated by Supercritical CO2 Foaming for High-Performance Complementary Shaped Triboelectric Nanogenerators and Self-Powered Sensors”

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106148

通讯作者介绍

米皓阳教授。

2010年本科毕业于华南理工大学机械与汽车工程学院，2015年博士毕业于华南理工大学，专业材料加工工程(高分子方向)。2016-2018年，为美国威斯康星大学博士后，2018年-2019年，在香港理工大学担任研究员，2019年10月入职郑州大学橡塑模具国家工程研究中心，直聘教授。发表SCI期刊论文100余篇，其中第一及通讯作者62篇，在Nano Energy，ACS Applied Materials Interfaces， Chemical Engineering Journal， Nanoscale，Carbon 等高水平期刊发表多篇论文。Google Scholar 引用3500余次，h指数36。授权发明专利12件，2件为美国发明专利，实用新型专利1件。主要研究方向：超临界流体微孔发泡，功能化纳米复合高分子，三维多孔高分子的制备及其在油水分离、纳米发电、电磁屏蔽、柔性传感器及组织工程等领域的应用。

联系方式Email: mihaoyang@zzu.edu.cn

董斌斌教授。

工学博士，加拿大The Ontario of Western University访问学者，郑州大学副教授，硕士生导师。获得包括国家载人航天工程突出贡献集体奖，教育部科技进步二等奖和河南省教育厅科技进步一等奖等各类科技成果奖励7项。发表论文20余篇，参编专著4本。参与完成了国家自然基金委员会面上项目七项；主要研究方向有：超大超厚制件的注塑成型及注压成型机理性研究；冷喷涂增材制造在模具修复、3D随形水路制造的应用研究；超临界微孔发泡成型与复合材料制品的导电性能、亲油疏水性能关系的研究；特殊材料（PEEK）的超临界微孔发泡成型性研究。

联系方式Tel.: 0371-63887600, Email: dongbinbin@zzu.edu.cn