论文标题：Emerging trends in self-healable nanomaterials for triboelectric nanogenerators: A comprehensive review and roadmap

期刊：Frontiers in Energy

作者：Prabhakar YADAV, Kuldeep SAHAY, Malvika SRIVASTAVA, Arpit VERMA, Bal Chandra YADAV

发表时间：15 Dec 2023

DOI：10.1007/s11708-023-0896-2

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文章简介

文章全面综述了自修复纳米材料在摩擦纳米发电机（TENGs）中的应用。TENGs作为新型绿色可持续能源采集装置，能将机械能转化为电能，在诸多领域具有应用潜力，但机械应力易致其性能下降。自修复材料可提升TENGs耐久性和寿命，其分类包括自主/非自主、内在/外在自修复等。文章探讨了自修复TENGs的工作机制、合成方法及在TENGs中的工作方式，列举了多种自修复材料及其特性。同时回顾相关文献，评估了TENGs制备和使用过程中的环境影响。最后指出未来研究方向包括开发新材料、优化性能、拓展应用领域、推动跨学科合作等。

研究背景及意义

随着低功耗电子技术的发展，纳米发电机（NGs）成为利用环境中废弃机械能的有效装置，摩擦纳米发电机（TENGs）作为其中一类，基于摩擦起电和静电感应原理，能将机械能转化为电能，在众多领域展现出应用潜力。然而，TENGs在工作中常受机械应力影响，导致性能下降。自修复材料可自行修复损伤，在材料科学领域受到广泛关注。将自修复材料应用于TENGs，有望解决其耐久性问题。本研究聚焦于自修复纳米材料在TENGs中的应用，对于提升TENGs性能至关重要。它能增强TENGs对机械应力的耐受性，减少性能恶化，延长使用寿命。此外，自修复TENGs为未来自供电系统提供更可靠的能源，推动能源与传感器技术进步，在可穿戴设备、物联网等诸多领域具有广阔应用前景。从可持续发展角度看，该研究还有助于开发环保且经济可行的技术，减少TENGs对环境的负面影响，促进循环经济发展。

研究内容及结论

TENG是一种绿色可持续的小型能量收集电源，基于摩擦起电和静电感应原理工作，主要由摩擦电层、电极和间隔层组成。通过不同材料的接触和分离产生电荷转移，从而产生电流。TENG有多种工作模式，各有特点和适用场景。

图1 TENG的基本模式、电荷转移机制和接触面类型

自修复材料可分为自主自修复和非自主自修复，也可分为本征自修复和外在自修复。自修复TENGs具有重要意义，能提高设备耐久性、延长使用寿命、降低维护成本等。自修复材料的合成方法主要有嵌入式自修复和本征自修复。

图2 自修复材料的不同应用领域

在TENG中，自修复材料需具备柔韧性、可变形性和自修复性。自修复材料的机制包括封装自修复、血管自修复、本征自修复等。TENG的制备方法有功能基团接枝、离子注入和注入、性能工程、功能子层插入等，这些方法可提升TENG的自修复能力和性能。

图3 非共价本征自修复机制

文章回顾了用于NGs的自修复聚合物的相关研究，如PMMA等材料的自修复性能研究，以及多种TENG的开发及性能特点，包括羽毛基TENG、纳米图案化可穿戴TENG等。

图4 使用柔软的自修复聚脲材料的仿生方法

TENGs在制备形状记忆和自修复材料时，其制造、使用和处置可能对环境产生影响，包括原材料提取、生产过程、化学物质使用和处置等方面。应采取可持续的制备方法，优化生产效率，减少能源消耗和有害物质排放，合理处置 TENGs，以降低对环境的负面影响。

未来研究可集中在探索新型材料、优化TENG性能、拓展应用领域、与其他技术集成以及考虑环境可持续性等方面。通过这些研究，有望推动自修复TENGs的发展，使其成为更可靠的能源来源，促进传感器和能源技术的创新。

原文信息

Emerging trends in self-healable nanomaterials for triboelectric nanogenerators: A comprehensive review and roadmap

Prabhakar YADAV, Kuldeep SAHAY, Malvika SRIVASTAVA, Arpit VERMA, Bal Chandra YADAV

Abstract:

A thorough analysis of triboelectric nanogenerators (TENGs) that make use of self-healable nanomaterials is presented in this review. These TENGs have shown promise as independent energy sources that do not require an external power source to function. TENGs are developing into a viable choice for powering numerous applications as low-power electronics technology advances. Despite having less power than conventional energy sources, TENGs do not directly compete with these. TENGs, on the other hand, provide unique opportunities for future self-powered systems and might encourage advancements in energy and sensor technologies. Examining the many approaches used to improve nanogenerators by employing materials with shape memory and self-healable characteristics is the main goal of this review. The findings of this comprehensive review provide valuable information on the advancements and possibilities of TENGs, which opens the way for further research and advancement in this field. The discussion of life cycle evaluations of TENGs provides details on how well they perform in terms of the environment and identifies potential improvement areas. Additionally, the cost-effectiveness, social acceptability, and regulatory implications of self-healing TENGs are examined, as well as their economic and societal ramifications.

Keywords:

triboelectric nanogenerator (TENG); self-healable nanomaterials; self-powered devices; energy

Cite this article:

Prabhakar YADAV, Kuldeep SAHAY, Malvika SRIVASTAVA, Arpit VERMA, Bal Chandra YADAV. Emerging trends in self-healable nanomaterials for triboelectric nanogenerators: A comprehensive review and roadmap. Front. Energy, 2023, 17(6): 727–750

https://doi.org/10.1007/s11708-023-0896-2

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期刊简介

Frontiers in Energy是中国工程院院刊能源分刊，高教社Frontiers系列期刊之一。由中国工程院、上海交通大学和高等教育出版社共同主办。翁史烈院士和倪维斗院士为名誉主编，中国工程院院士黄震、周守为、苏义脑、彭苏萍担任主编。加拿大皇家科学院、加拿大工程院、中国工程院外籍院士张久俊，美国康涅狄格大学校长、教授Radenka Maric，上海交通大学教授Nicolas Alonso-Vante和巨永林担任副主编。

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