港大冯宪平/港城大罗扬：离子导电有机水凝胶生物力学能量收集器|冯宪平|水凝胶|溶剂|甘油|聚合物

【介绍】

最近使用冷冻保护剂替代方法解决水凝胶易干燥问题引起了越来越多的研究兴趣。然而，由于诱导绝缘溶剂导致有机水凝胶的电导率降低限制了它们的电子应用。

【摘要】

最近，香港城市大学罗扬博士/香港大学冯宪平教授团队引入了霍夫迈斯特效应和静电相互作用以在水凝胶中产生氢和钠键。结合其双网络，因此建立了不受溶剂置换影响的有效电荷通道。开发的基于有机水凝胶的单电极摩擦纳米发电机（OHS-TENG）显示出低电导率下降（一级）和高输出（1.02-1.81 W/m2），这比报道的 OHS-TENGs（2-3 级， 41.2–710 毫瓦/平方米）。

此外，在水凝胶中用甘油代替水使该装置具有出色的长期稳定性（四个月）和温度耐受性（-50-100°C）。所提出的策略和机制可以扩展到旨在实现电子应用高性能的常见有机水凝胶系统。相关论文以题为Biomechanical Energy Harvesters Based on Ionic Conductive Organohydrogels via the Hofmeister Effect and Electrostatic Interaction发表在《ACS Nano》上。

【主图导读】

图 1. AVN 水凝胶示意图：(a) 合成过程，(b) 生成链和键，其中 NaCl 充当针线，通过形成聚合物之间具有更强键强度的氢键和钠键来缝合 PAM 和 PVA 聚合物分别通过盐析效应和静电相互作用，以及（c）脱水过程。

图 2. 溶剂置换机理和物理性质：(a) 不同水凝胶通过霍夫迈斯特效应和静电相互作用的溶剂置换过程示意图，(b) 溶剂置换前后不同水凝胶的电导率，(c) FTIR 光谱和 (d) 不同有机水凝胶的应力-应变曲线。

图 3. 基于 AVN 的 OHS-TENG 的工作机制和输出性能：(a) 以皮肤为正极材料时基于 AVN 的 OHS-TENG 的工作原理，(b) 接触处电位分布的模拟结果，释放和释放状态，(c) VOC，(d) JSC，(e) 可重复性（每种条件 10 个设备）和 (f) 甘油浸泡 1 小时前后各种设备的输出，以及 (g) 输出稳定性和 (h) 与报道作品相比的温度耐受性。

图 4. 基于 AVN 的 OHS-TENG 及其可穿戴应用的电阻和电容行为：(a) 带有外部负载的电路示意图，(b) 在 100 Ω 负载电阻范围内输出电压和电流密度的依赖性 ∼ 220 MΩ，插图是由手指敲击供电的 120 个 LED 的照片，(c) 不同甘油浸入时间下功率和功率密度的依赖性，(d) 充电行为，以及 (e) 连接时设备存储的能量不同的电容器，(f) 轻敲设备 10 次后由 1 μF 电容器供电的蓝色 LED，(g) 轻敲设备 480 次后由 4.7 μF 电容器供电的 Timer 屏幕，VOC 响应为 (h ) 不同的衣服材料和身体动作，例如 (i) 行走和 (j) 肘部弯曲。

【总结】

这项工作开发了一种基于离子导电有机水凝胶的可持续且可拉伸的生物力学能量收集器。通过霍夫迈斯特效应和静电相互作用产生的氢键和钠键有助于水凝胶形成有效且稳定的电荷通道，最大限度地减少甘油置换过程中电导率的下降。因此，该器件可产生 1.02-1.81 W/m2 的高峰值功率密度，可直接点亮 120 个串联的绿色 LED 或为电容器充电以驱动电子计时器。此外，开发的 OHS-TENG 在储存时间（至少4个月）和温度（-50-100°C）方面也表现出优异的输出稳定性。由于其对不同服装材料的高响应敏感性，概念验证的可穿戴 OHS-TENG 被展示用于人体运动能量收集。除了优异的性能和稳定性外，OHS-TENGs 在实际应用中还具有操作窗口宽、成本低、系统简单和无毒等优点。这项工作为具有高输出性能的 OHS-TENG 的未来发展提供了一个通用的平台和理解。

参考文献：

doi.org/10.1021/acsnano.1c03830