东华大学《Adv. Funct. Mater.》：3D打印一体定制面向可穿戴电子设备的纳米摩擦发电机

近日，东华大学材料科学与工程学院游正伟教授 - 俞昊教授合作团队在纳米摩擦发电机领域取得重要进展，相关研究成果以《 3D 打印一体定制弹性可持续的面向可穿戴电子设备的纳米摩擦发电机》（ A single integrated 3D-printing process customizes elastic and sustainable triboelectric nanogenerators for wearable electronics ）为题，作为封底发表于国际材料学著名期刊《 Advanced Functional Materials 》。东华大学材料学院博士生陈硕，博士后黄涛系共同第一作者，游正伟教授为通讯作者。该工作电学性能测试与俞昊教授团队合作完成。同时得到了莫秀梅教授、吴琪琳教授、何创龙教授和朱波教授的大力支持。论文链接： http://dx.doi.org/10.1002/adfm.201805108

纳米摩擦发电机（ TENG ）是由佐治亚理工学院王中林院士于近年提出的将环境机械能高效转化为电能的技术。这种新兴的技术为利用生物机械能构建自驱动可穿戴电子设备提供了一种全新的解决方案。但是目前 TENG 的通常需要各部分分别制备然后组装，较难构筑不规则形状，限制了其应用。

为了解决这一难题，游正伟教授团队基于新近发展的热固性材料 3D 打印新技术（ Mater. Horiz., 2018, DOI: 10.1039/C8MH00937F ），构筑了具有三维立体多孔结构的纳米摩擦发电机（ 3DP-TENG ）。该 3DP-TENG 利用聚癸二酸甘油酯（ PGS ）为热固性弹性基材和一种摩擦材料，碳纳米管（ CNTs ）分散其中构成导电网络和另外一种摩擦材料。制备中以 PGS 预聚物、 CNTs 和盐粒为打印墨水。其中盐粒是关键，作为增强剂保证打印固化成型，同时作为致孔剂获得了多孔结构，每个微孔相当于一个纳米摩擦发电机。当被挤压时，微孔上下管壁接触， PGS 和 CNTs 之间由于对电子束缚能力的不一样，在接触时二者间发生电荷转移。由于 3DP-TENG 是弹性的，因此外力撤去时，微孔恢复原状，电荷被分离在上下管壁的 PGS 和 CNTs 中，从而在 CNT 与大地之间产生电势差，加上外导线就构成了电流。大量的微孔协同工作，从而获得了良好的摩擦发电效能

由于是 3D 打印一体成型， 3DP-TENG 可以根据需要方便地定制。研究团队依人体工学打印了三维鞋垫，穿上步行时可以有效点亮 LED 灯和对电子表进行充电。而 3D 打印的 “ 指环 ” 状器件则可以根据输出的电信号，方便地监控手指的弯曲，感知弯曲的频率和角度。

该工作还有一个突出的亮点是该 3DP-TENG 是一个全生命周期环境友好型的电子设备。基体材料聚合物 PGS 由生物基的癸二酸和甘油缩聚而得，利用增材制造构筑，原材料得到充分利用； PGS 具有良好的生物降解性能，使用后可以完全降解为生物相容的癸二酸和甘油， CNTs 则可以方便地回收再利用，性能保持不变。

该项研究发展了一种新颖的策略，实现了纳米摩擦发电机的 3D 打印一体成型。可以根据需要打印各种形状，在可穿戴设备上具有广阔的应用前景。该工作获得了国家自然科学基金和上海市自然科学基金等项目资助。