华南理工大学Nano Energy：生物质小分子硫辛酸辅助纤维素熔融加工制备可回收离子凝胶

颗粒在线讯：文章简介

可拉伸摩擦纳米发电机（TENGs）是一种可以将生物机械能转化为电能的高效能量采集器件，近些年在可穿戴电子领域备受关注。离子凝胶是一类很有前途的可拉伸TENGs电极材料。然而，大多数离子凝胶材料仍然很难同时实现和平衡诸如透明、可拉伸、较高机械强度、自修复性能等功能；其次，它们的聚合网络大多是由不可再生单体通过复杂苛刻的聚合条件构建；此外，大多数离子凝胶材料的聚合物基质是不可回收利用的。因此，开发同时满足可再生起始原料、简便制备、多功能集成和可回收特性的离子凝胶材料仍然具有很大的挑战性。

针对以上问题，华南理工大学祁海松教授团队在前期生物质小分子α-硫辛酸离子凝胶工作的研究基础上（Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1902467; ACS Appl. Mater. Interfaces. 2020, 12, 21528−21538; J. Mater. Chem. A, 2021, 9, 13115.），进一步开发了一种羟丙基纤维素（HPC）在α-硫辛酸（LA）熔融液中熔融聚合构建具备多功能和可回收性能的双网络离子凝胶的方法（图1）。这种基于生物质分子的合成方法极其简单、方便，绿色，同时也为纤维素材料在熔融加工领域提供了新的借鉴。

图1. a) 离子凝胶的制备示意图；b) 离子凝胶双网络结构示意图；c) 通过简单的加热-冷却过程回收破损的离子凝胶。

图2. a) I-TENG在不同外接电阻下的输出电压、电流密度和功率密度；b) 在2Hz的接触分离运动1000次循环下I-TENG的输出电能耐久性；c) 离子凝胶四次切割-愈合循环下的实时电阻测试; d) I-TENG在5次愈合中的输出电压；e) I-TENG在原始状态和不同的拉伸状态下的照片；f) I-TENG在初始状态和不同拉伸状态下的输出电压; g) 离子凝胶的热重曲线；h) 离子凝胶在升温过程中的流变曲线；i）I-TENG与水凝胶基TENG在80℃下储存8 h前后输出电压的比较；j) 回收后I-TENG的输出性能。

图3. a) I-TENG为16个商用LED灯供电；b) 黏附在人体胳膊上的I-TENG为16个商用LED灯供电；c) 自供电系统电路图; d) I-TENG驱动电子手表；e) 不同接触频率下I-TENG为22 µF电容充电曲线；f) 同一接触频率下I-TENG为不同电容充电曲线; g) I-TENG实时驱动电子手表的充放电曲线；h, i） I-TENG作为自供电可穿戴传感器检测手指和膝盖的弯曲运动；j) I-TENG作为自供电触摸设备用于识别手写的英文字母。

文章亮点

1、HPC分子链的羟基与聚硫辛酸分子链上丰富的羧基借助高密度氢键相互作用成功地构建了由非共价氢键和共价二硫键介导的双网络结构。通过调控HPC的含量，离子凝胶的性能得到了优化，同时实现了良好的拉伸性能（624%）、机械强度（0.56 MPa）、高透明度（84.7%）、抗紫外性、适宜导电率（7.4×10-3 S/m）、高自修复效率、热稳定性、优异的机械耐久性和完全可回收利用的特性。

2、利用离子凝胶作为功能电极，成功组装了一种透明、可拉伸的单电极摩擦纳米发电机（I-TENG），其可以在3Hz的固定频率下收集生物机械能并将其转换为稳定的电能（80 V、2 µA、27 nC），最大功率可达67.9  mW/m2。除此之外，这种纳米摩擦发电机还能在拉伸、高温储存后、长期运行、机械损伤以及回收后保持良好的电能输出（图2）。这在已报道的可拉伸摩擦纳米发电机中并不常见。

3、I-TENG作为绿色电源可以为商用LED灯和电子手表等小型电子产品供电。除此之外，回收前后的I-TENG也被证明可作为自供电应变传感器通过可靠和可逆的电压变化来监测人体手指和膝盖的弯曲。I-TENG同时呈现出压力依赖的电压响应性，使不同的英文字母在响应手写运动时不会出现迟滞现象（图3）。

总结

综上，这项工作不仅为纤维素材料的熔融加工开辟了一条新途径，也推动了生物质小分子硫辛酸在构建双网络结构离子凝胶方面的探索与发展。该研究成果近期以“Cellulose melt processing assisted by small biomass molecule to fabricate recyclable ionogels for versatile stretchable triboelectric nanogenerators”为题，发表在《Nano Energy》 （10.1016/j.nanoen.2021.106619）上。华南理工大学轻工科学与工程学院的博士研究生党超为该文章第一作者，通讯作者为华南理工大学祁海松教授和大连工业大学邵长优博士。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106619