吉林大学李洋课题组《AFM》：超耐磨低温自修复超疏水摩擦纳米发电机取得新进展

得益于界面学和材料学的蓬勃发展，自修复超疏水涂层已集成到摩擦纳米发电机（TENGs）中，为TENGs带来了长久可靠的防水、自清洁性和自修复性能，保证其可以从水滴的滴落过程中以及波浪下收集能量，从而延长使用寿命，拓宽应用场景。但是，目前所报道的自修复超疏水TENGs存在一些严重的缺点，限制了其实际应用。1、自修复超疏水TENGs机械稳定性较差。2、自修复超疏水TENGs的修复温度较高。鉴于此，吉林大学超分子结构与材料全国重点实验室李洋副教授课题组基于在制备自修复功能材料与电子器件方面的宝贵经验，对自修复超疏水TENGs的耐磨性和低温修复等方面作了深入研究，并取得进展。

1、超分子聚合物构筑耐磨自修复超疏水摩擦纳米发电机

作者通过喷涂亚胺键交联的聚二甲基硅氧烷基超分子聚合物（I-PDMS）和二氧化硅纳米粒子（SiO₂ NPs），制备了超耐磨、无氟且零下温度自修复的超疏水（I-PDMS/SiO₂）涂层。亚胺键的高键能和SiO₂ NPs的增强作用使I-PDMS/SiO₂涂层的机械耐磨性优于先前报道的具有或不具有自修复能力的超疏水涂层。I-PDMS/SiO₂涂层优异的机械耐磨性和环境稳定性，使其能够在3.1 kPa的砂纸磨损154.1 m、受到1.5 m高度6 kg的沙子冲击、4.5 N的手拍或17.9 N的脚踩10000次后仍保持超疏水性。放置在-30 °C和80 °C以及浸泡在CH₃COOH溶液（pH 2.8）、Na₂CO₃溶液（pH 10.6）、C₂H₅OH和C₂H₄Cl₂的环境下10天，它们仍保持超疏水性。I-PDMS/SiO₂涂层在空气、水或真空中可自发且反复地自修复。I-PDMS/SiO₂涂层优异的自修复能力源于动态亚胺键，它允许I-PDMS解离成单体，扩散到受损的涂层区域，在那里它们重新聚合成I-PDMS。由于I-PDMS单体的玻璃化转变温度极低，I-PDMS/SiO₂涂层甚至可以在-30 ℃下自发自修复。为了证明I-PDMS/SiO₂涂层的先进性，通过在铁片上喷涂I-PDMS/SiO₂涂层制备了自修复超疏水NUSS-TENGs。I-PDMS/SiO₂涂层优异的机械耐磨性使NUSS-TENGs在手拍和脚踩时产生110 V和31 V的开路电压。此外，NUSS-TENGs可多次自修复其超疏水性，从而避免了由于水渗透和灰尘污染而导致器件的电输出性能下降。机械耐磨性、自修复超疏水性和宽的工作温度范围使NUSS-TENGs具有潜在的应用潜力，可以作为自修复智能地砖，从人体运动过程中收集能量。

图1  该涂层自清洁、低温自修复和耐磨性能及其应用于TENGs的概述。

相关成果以Supramolecular polymer-based, ultra-robust, and nonfluorinated, sub-zero temperature self-healing superhydrophobic coatings for energy harvesting为题发表在《Nano Energy》。（DOI: 10.1016/j.nanoen.2024.109561）。吉林大学超分子结构与材料全国重点实验室为第一单位，吉林大学化学学院硕士研究生温小娟为论文的第一作者，李洋副教授为论文的独立通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金(21971083)的支持。

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285524003094

2、仿珊瑚设计助力超疏水摩擦纳米发电机实现非凡机械稳定性

受珊瑚自我保护的启发，作者通过喷涂的方法将精心设计的疏水性自修复氟化聚氨酯（SFPU）和聚偏二氟乙烯纳米粒子（PVDF NPs）负载到铁泡沫中，得到了一种具有零下温度自修复能力的超耐磨超疏水TENGs（USSS-TENGs）。铁泡沫坚硬的突起结构优先与外物接触抵抗应力，这保护了负载于铁泡沫内部的超疏水SFPU-PVDF NPs复合物，使得USSS-TENGs的耐磨性相比于已报道最耐磨自修复超疏水涂层最高提高了5.7倍。因此，USSS-TENGs能够在经过391 m的砂纸磨损、5 N的手拍、20 N的脚踩和3 N的刀划10000次以及1.6吨的汽车碾压50次后仍保持良好的超疏水性。得益于SFPU极低的T_g和SFPU分子链之间氢键的可逆性，USSS-TENGs可以在-30 ℃、水下和真空环境中通过SFPU分子链向损伤处自发地扩散并多次修复受损的超疏水性。USSS-TENGs超强的耐磨性使得它们可以稳定地从水的滴落、手拍打、脚踩、跳跃以及汽车碾压中产生电能。得益于它们超强的耐磨性、高效的零下温度自修复性、超疏水性和良好的电输出性能，USSS-TENGs具有在智能屋顶和智能地砖应用的潜力，可以从降雨和人类的行走中收集能量为设备供电，并且其优异的自清洁和自修复性可以为其稳定长效地工作提供了坚实的保障，从而满足人们对TNEGs在复杂环境下应用的需求。

图2  USSS-TENGs超耐磨、低温自修复和电输出性能的概述。

相关成果以Coral-Inspired Superhydrophobic Triboelectric Nanogenerators with Unprecedented Wear Resistance and Sub-Zero Temperature Self-Healing Capability为题发表在《Advanced Functional Materials》。（DOI: 10.1002/adfm.202501706）。吉林大学超分子结构与材料全国重点实验室为第一单位，吉林大学化学学院硕士研究生温小娟为论文的第一作者，李洋副教授为论文的独立通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金(22475082)的支持。

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202501706