由于智能生活理念的快速发展，能够自供电和感知环境参数与用户活动信息的便携式柔性设备已成为近年来增长最快的消费电子产品之一。目前，由于传统的电源如电池和电容器具有需要反复充电、不能变形、易燃、不利于环境保护的缺点，已经成为阻碍便携式柔性设备广泛应用的短板。在新兴技术中，摩擦纳米发电机（TENGs）由于其灵活性、低成本、结构简单、轻质、显著的输出性能、广泛的材料选择和工作环境的多样性，已经成为便携式和柔性设备的理想候选电源之一。摩擦纳米发电机由摩擦层和电极组成，基于摩擦起电和静电感应的耦合效应，可以有效地将机械能转化为电能。自被提出以来，该技术已经在能量收集、自供电传感器、生物医学监测和智能生活方面展现出广阔应用前景。然而，摩擦纳米发电机在工作过程中所遭受的拉伸、挤压、弯曲等周期性机械力会导致其产生损伤，使其整体性能下降，使用寿命缩短，甚至功能丧失。因此利用超分子化学来制备具有高机械强度、环境稳定和高输出性能的自修复摩擦电纳米发电机具有重大研究意义。

吉林大学化学学院超分子结构与材料国家重点实验室李洋副教授课题组长期从事自修复弹性体的功能化研究。致力于通过超分子作用力来合成兼具自修复性能、机械性能与电学性能的弹性体并应用于与各类柔性电子器件。近年来，该课题组在自修复弹性体制备电子器件方面取得了一些进展：（1）具有高机械强度与高离子电导率的自修复离子凝胶传感器(ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 57477–57485)。（2）可实现稳定，高效，长寿光热水蒸发性能的自修复亲水多孔光热膜（CCS Chem. 2021, 3, 2494–2506）（3）高强度自修复离子凝胶用于制备高机械性和环境稳定性的纳米摩擦发电机（Nano Energy 2021，90，106645）（4）室温自修复离子凝胶用于高效稳定的CO₂分离(J. Mater. Chem. A 2022, 10, 4695–4702)。基于在制备自修复功能材料与柔性电子器件方面的宝贵经验，近期该课题组设计并报道了一种自修复的氟化聚（氨酯聚脲），并用于制备具有高机械性和环境稳定性的多功能全修复摩擦电纳米发电机。首先，作者通过由NH₂-PDMS-NH₂与IPDI的反应合成了异氰酸酯封端PDMS，然后将得到的预聚物与扩链剂（HFDD）反应，得到所需的聚合物SF-PUU_x，通过对SF-PUU_x的优化调节，最终选择具有高强度、高介电、高输出和优异自修复能力的SF-PUU₁作为最优的摩擦层实验样品。并且将SF-PUU₁作为摩擦层与自修复离子凝胶电极组装，获得了一种输出功率密度为2.75 W m^-2的全修复纳米摩擦发电机(FSI-TENG)。FSI-TENG在被灰尘污染后、储存在-30^◦C或90^◦C环境中、浸泡在1 M盐酸、氢氧化钠溶液和海水中、折叠、踩踏和拍打都可保持其电输出性能。因此，它可以作为一个高输出的能量发电机来驱动电子设备，并作为一个灵敏的自供电传感器，以满足多个应用场景的需求。更重要的是，全自修复的TENG可以充分恢复其机械性能、环境稳定性和损伤后的输出性能，有效保证了其良好的可靠性和使用寿命。

SF-PUU_x的制备过程如图1a所示，NH₂-PDMS-NH₂与IPDI的反应合成了异氰酸酯封端PDMS，然后将得到的预聚物与扩链剂（HFDD）反应，得到所需的聚合物SF-PUU_x，x为HFDD与NH₂-PDMS-NH₂的摩尔比。我们选择具有双羟基的HFDD作为扩链剂，因为它可以增强聚合物的疏水性、机械强度和摩擦电性能。NH₂-PDMS-NH₂的氨基和HFDD的羟基与IPDI的异氰酸酯基团反应，形成富含氢键供体和受体的脲键与氨酯键。因此，SF-PUU_x通过大量的氢键交联，为其自修复能力奠定了坚实的基础。

图1.自修复氟化聚（氨酯聚脲）的设计与合成。

通过对SF-PUU_x各组分的的优化调节，最终选择具有高强度、高介电、高输出和优异自修复能力的SF-PUU₁作为最优的摩擦层实验样品。并且将SF-PUU₁作为摩擦层与自修复离子凝胶电极组装，获得了一种输出功率密度为2.75 W m^-2的全修复纳米摩擦发电机(FSI-TENG)。

图2.自修复氟化聚（氨酯聚脲）的优化。

FSI-TENG可以作为高输出的能量产生装置能够点亮112个绿色led灯泡，以及为数字时钟供电，也可以作为灵敏的自供电传感器来监测人体关节的运动、水滴的滴水、人跳绳时的姿势和汽车的速度，显示出其应用的多样性。

图3.全修复摩擦纳米发电机的多场景应用。

图4.全修复摩擦纳米发电机修复性能的展示。

相关成果以Self-healing fluorinated poly(urethane urea) for mechanically and environmentally stable, high performance, and versatile fully self-healing triboelectric nanogenerators为题发表在《Nano Energy》。(DOI: 10.1016/j.nanoen.2023.108243)。吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室为第一单位，吉林大学化学学院博士研究生李弘历为论文的第一作者，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的支持。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108243