High Toughness, Multi-dynamic Self-Healing Polyurethane for Outstanding Energy Harvesting and Sensing

摩擦电效应 材料科学 自愈 弹性体 能量收集 聚氨酯 韧性 电子皮肤 自愈材料 纳米技术 复合材料 光电子学 功率(物理) 病理 物理 替代医学 医学 量子力学
作者
Bingxu Cheng,Jia-Le Zhang,Yan Jiang,Shuangfei Wang,Hui Zhao
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (50): 58806-58814 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acsami.3c12384
摘要

Triboelectric nanogenerators (TENGs) are an emerging class of energy harvesting devices with considerable potential across diverse applications, including wearable electronic devices and self-powered sensors. However, sustained contact, friction, and incidental scratches during operation can lead to a deterioration in the electrical output performance of the TENG, thereby reducing its overall service life. To address this issue, we developed a self-healing elastomer by incorporating disulfide bonds and metal coordination bonds into the polyurethane (PU) chain. The resulting elastomer demonstrated exceptional toughness, with a high value of 85 kJ m-3 and an impressive self-healing efficiency of 85.5%. Specifically, the TENG based on that self-healing PU elastomer generated a short circuit current of 12 μA, an open circuit voltage of 120 V, and a transfer charge of 38.5 nC within a 2 cm × 2 cm area, operating in contact-separation mode. With an external resistance of 20 MΩ, the TENG achieved a power density of 2.1 W m-2. Notably, even after self-healing, the electrical output performance of the TENG was maintained at 95% of the undamaged device. Finally, the self-healing TENG was employed to construct a self-powered noncontact sensing system that can be applied to monitor human motion accurately. This research may expand the application prospects of PU materials in future human-computer interaction and self-powered sensing fields.
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