01 研究背景
物聯網的快速發展催生了大量功能性電子設備，為這些分布式設備供能逐漸成為一大挑戰。基于摩擦電的自供電技術因其材料選擇多樣和能量轉換效率高的優勢，有望成為智能設備的理想供能解決方案。然而，傳統正極摩擦電材料由于介電常數較低導致靜電感應較弱，同時受熱電子發射效應影響，在高溫環境下電輸出顯著降低，限制了其應用。02 文章概述近日，王雙飛院士團隊通過熱誘導交聯（HIC）策略構筑了一種具有異質界面的芳綸摩擦電材料。熱交聯設計顯著提升了芳綸摩擦電材料的介電性能、熱穩定性和阻燃性，相對介電常數提高了16倍。使用該材料構建的摩擦納米發電機的輸出功率密度可達3.97 W/m2，并在260 °C下保持穩定的高摩擦電輸出。這為高性能高溫摩擦電材料的開發和應用提供了堅實的基礎，為可擴展的自供電智能設備領域的發展提供了參考。這項成果以題為“Thermally Robust Aramid Triboelectric Materials Enabled by Heat‐Induced Cross‐Linking”發表在最新一期《Advanced Functional Materials》期刊上，王志偉副教授和2022級碩士研究生吳迪為本研究的共同第一作者，聶雙喜教授為通訊作者，遲明超、鄒雪蓮、王金龍、趙桐、張慧亞、朱云鵬、江柯漾、孟凡蓁等參與研究。
03 圖文導讀
1.具有異質界面的芳綸摩擦電材料設計策略本研究提出了一種熱誘導交聯（HIC）策略，用于制備兼具高機械強度以及優異摩擦電性能的芳綸摩擦電材料。實現異質界面的關鍵在于保持AONS的均勻分散以及ANF的良好交聯。HIC策略有助于材料內形成以氫鍵為主要相互作用的納米纖維網絡，ANF分子鏈與AONS充分交聯并形成異質界面結構。借助極性溶劑N-甲基吡咯烷酮，在納米尺度上改善了AONS的聚集。ANF與AONS界面間的大量氫鍵位點借助HIC形成新的氫鍵，賦予芳綸摩擦電材料優異的機械強度（149.2 MPa）和介電常數（66.9 @ 1 kHz）。得益于材料優異的性能，設計的自供電檢測系統有望滿足不同場景下的應用需求。
圖1. 芳綸摩擦電材料的制備及應用示意圖。
2.芳綸摩擦電材料的制備通過熱誘導交聯策略制備芳綸摩擦電材料。首先，芳綸纖維經過去質子化形成ANF分散液，之后，ANF再經質子化還原和均質實現在水中的穩定分散。ANF分子鏈作為穩定框架，與AONS和c-MWCNT之間通過大量氫鍵鏈接并形成異質界面結構。最終通過真空輔助過濾與熱壓策略組裝成三維層狀芳綸摩擦電材料。結果顯示，熱交聯策略制備的芳綸摩擦電材料具有優異的機械強度和熱穩定性。圖2. 芳綸摩擦電材料的表征、機械性能和熱性能。
3.芳綸摩擦電材料的高介電性能及摩擦電性能圖3展示了具有異質界面結構的芳綸摩擦電材料對摩擦電輸出性能的影響。我們通過摩擦納米發電機（TENG）研究了材料摩擦電輸出性能。具有異質界面結構的芳綸摩擦電材料表現出顯著優異的摩擦電性能，輸出功率密度達3.97W/m2,這主要是由于AONS的加入產生了極強的界面極化效應，顯著增加了材料的介電常數，進而提高了摩擦電性能。此外，AONS和ANF之間強烈的界面極化也可產生更多的電子陷阱，這些深陷阱對摩擦電性能也具有一定貢獻。圖3. 芳綸摩擦電材料的摩擦電輸出性能。
4. 高溫環境下芳綸摩擦電材料的性能圖4展示了測試材料摩擦電性能的裝置示意圖。芳綸摩擦電材料在20-260 °C 的寬溫度范圍內均可產生較高的電輸出，在260 °C下循環15000次后仍可保持穩定電輸出，表明其在極端環境條件下具有穩定的摩擦電性能。芳綸摩擦電材料與其他材料相對比，具有顯著更佳的高溫耐受性與摩擦電輸出能力。此外，芳綸摩擦電材料還具有良好的阻燃性，暴露在火焰中長達4分鐘后仍不會發生燃燒。圖4.芳綸摩擦電材料在高溫下的摩擦電輸出性能和阻燃性。
5. 用于自供電檢測的芳綸摩擦電材料芳綸摩擦電材料作為高熱穩定性、摩擦電性能優異的材料，在高溫環境下展示了顯著的應用潛力。通過構造旋轉摩擦納米發電機（R-TENG），借助芳綸摩擦電材料的優越性能，實現了極佳的風速傳感能力，兩種工作模式下的R2>0.99。R-TENG在高達80 °C的氣體環境中仍能保持穩定的電輸出。此外，借助整流器、電容器和無線傳感設備設計的自供電檢測系統，可實現對高溫環境中特定氣體濃度的檢測。這些結果展示了基于芳綸摩擦電材料的自供電監測系統在復雜高溫環境中的可靠性和實用性。圖5.由芳綸摩擦電材料構建的R-TENG及其應用。
03 結論本研究采用熱誘導交聯法制備了具有異質界面的高介電阻燃芳綸摩擦電材料。該材料具有優異的介電性能(εr=66.9)，優異的高溫穩定性(最高熱解溫度為572 ℃)和優異的摩擦電性能，功率密度為3.97 W/m2。此外，芳綸摩擦電材料表現出優異的阻燃性，并能在20-260 ℃的寬溫度范圍內保持極高的摩擦電性能。借助芳綸摩擦電材料的優異性能，開發了一種風速檢測和遠程自供電監測系統。該研究為高性能高溫摩擦電材料的開發和應用提供了新的途徑，在可擴展自供電檢測領域顯示出巨大的潛力和廣闊的應用前景。原文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202413719