基于摩擦起电和静电感应原理的摩擦电纳米发电机(TENGs)由于简单的结构和优异的输出性能，机械能收集与自供能传感领域得到广泛应用。然而，目前多数TENG存在着诸如制备工艺复杂，成本高，耐久性差，难以实现规模化生产等问题，从而极大降低了设备灵活性及耐用性。此外，大多数TENGs缺乏封装保护，导致摩擦电荷易受水汽等环境干扰。并且，当前额外封装策略（如硅胶外包装）虽提升耐候性，却加剧组装复杂度，且在非均匀压力下易失稳，制约高性能TENG的规模化应用。
近日，青岛科技大学超临界发泡团队联合郑州大学橡塑模具国家工程中心，基于环保和可持续理念，通过一种创新的环境可持续性一步周边约束发泡（PCF）方法，开发了一种仿生自支撑自封装穹顶结构摩擦纳米发电机（DTENG），极大地提升了TENG的稳定性和耐用性。在PCF中，压力释放导致泡沫膨胀，周边约束导致泡沫不均匀膨胀，从而形成了宏观穹顶结构。由于自支撑和自封装的结构以及穹顶结构，优化后的DTENG展示出 263 V 的高开路电压（Voc）和107.7 mW/m2的功率密度。此外，由于其坚固的结构和封闭的构造，DTENG 展示出极高的耐用性，可承受60,000次循环，且具有抗紫外线、抗温度和抗腐蚀的性能。特别是，DTENG 已通过连续水下运行和车辆碾压后的稳定性测试。基于这些性能优势，DTENG 在恶劣环境下的自供电传感方面展现出巨大潜力，并被设计用于实现对水流的自主控制和实时监测。这项工作为高性能且耐用的仿生TENG的可扩展和可持续发展提供了新策略。
图1. a) 展示TENGs简单制备与摩擦电性能之间矛盾关系的示意图；b) DTENG的横截面宏观形貌图及海洋中的水母图片；c)DTENG通过一步法超临界CO2 (scCO2)周边约束发泡的成型原理图；d) scCO2发泡前后DTENG宏观形貌对比；e) DTENG结构设计的分解视图；f) DTENG与报道的类似穹顶结构研究相比的突出优势。
图2. a) 使用平滑表面和图案化表面PDMS组成的DTENG的开路电压(Voc)结果；b) 不同发泡温度下制备的DTENG中穹顶结构TPU层的横截面扫描电镜(SEM)图和 c) 发泡特性表征(n = 5)；d) 在70至130℃发泡温度下制备的DTENG的开路电压(Voc)和e) 短路电流 (Isc)；f) 不同发泡温度下制备的DTENG的侧视光学照片；g) 不同发泡温度下制备的DTENG的厚度及开路电压(Voc)统计结果。
图3. a) 展示DTENG在外力作用下变形过程的照片；b) DTENG在按压和释放循环中工作机理的示意图；c) DTENG从释放状态被按压至压缩状态时摩擦电势变化的模拟结果；d) 使用不同压缩力按压DTENG时，其短路电流(Isc)和开路电压(Voc)的拟合曲线；e) DTENG的开路电压 (Voc) 和f) 短路电流(Isc)随冲击频率在1至4 Hz范围内变化的情况；g) DTENG在50 N压力下连续运行60,000次(15,000秒)的开路电压(Voc)和h) 短路电流 (Isc) 长期稳定性。
图4. a) 经过紫外线照射后最优DTENG的短路电流(Isc)；b) 经过极端温度处理后最优DTENG的短路电流 (Isc)；c) DTENG和发泡前样品的红外热成像图； d) DTENG的抗压测试；e) 水下测试中用手指捏压时测得的短路电流 (Isc) 信号；f) 不同湿度水平后最优DTENG的短路电流(Isc)；g) 经过盐酸溶液、氯化钠溶液和氢氧化钠溶液腐蚀处理后最优DTENG的短路电流(Isc)；h) 外部环境中干扰DTENG摩擦电性能的主要因素。
图5. a) DTENG被一根手指和两根手指触摸时的开路电压(Voc)信号；b) DTENG 被脚尖慢速和快速轻踏时的开路电压(Voc)信号；c) 实时无线传感系统的硬件和流程图；d) 所开发传感系统的具体物理连接图；e) 无线传感系统设计的工作界面；f) 通过手指按压实现不同级别放水时对应的电信号。
相关研究成果以Bioinspired Self-standing and Self-encapsulated Dome Architectured Triboelectric Nanogenerators with Exceptional Stability and Durability为题发表在《Advanced Functional Materials》（IF=19，中科院一区TOP期刊，DOI: 10.1002/adfm.202505747）。该成果以青岛科技大学为第一署名单位，谢一兵博士为第一作者兼通讯，张振秀教授和刘春太教授为共同通讯。此研究工作得到国家自然科学基金、山东省自然科学基金、青岛市自然科学基金、青岛市博后项目等资助支持。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202505747
相关进展
鲁东大学徐文龙课题组 AFM：一种抗冻凝胶作为应变传感器和机器学习辅助的摩擦电纳米发电机在极端环境中的智能运动监测
吉林大学李洋课题组 Nano Energy/AFM: 超耐磨低温自修复超疏水摩擦纳米发电机取得新进展
陕科大王学川/刘新华/岳欧阳等 Nano Energy：基于按需调整负泊松比结构的高效摩擦电纳米发电机在可穿戴设备中的应用
高分子科技原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：info@polymer.cn
诚邀投稿
欢迎专家学者提供稿件（论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等）至info@polymer.cn，并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送，并同时发布在中国聚合物网上。
欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求，陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群，也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群，全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。
申请入群，请先加审核微信号PolymerChina（或长按下方二维码），并请一定注明：高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业），否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。
点
这里“阅读原文”，查看更多