摩擦纳米发电机(TENG)具有重量轻、高通用性和灵活性等优点，在小型能源系统中具有显著优势(如能量转换效率高、易于制造和成本低)。聚二甲基硅氧烷(PDMS)由于具有良好的疏水特性、柔韧性和热稳定性，以及摩擦带电能力强，是TENG广泛使用的负极材料之一。但是，PDMS的力学性能较差(断裂能小于100 J/m²)，无法保证TENG长期承受机械变形下稳定运行，因此，如何制备出具有高韧性的PDMS摩擦层是TENG丞待解决的问题之一。同时，PDMS在长期承受工作负荷时容易受到损伤，造成TENG自发电性能的丧失，极大地缩短了其使用寿命。因此，为了满足TENG长期稳定运行的需求，对高强度、高韧性和良好自愈合能力的新型PDMS弹性体提出极其迫切的需求。

基于上述背景，西安交通大学化学学院井新利教授课题组首先将动态二硫键和“可牺牲”氢键引入PDMS中，构建了一个双动态共价交联体系，该体系在室温下具有良好的机械性能、可回收性和自愈合性能。其次，将PDMS-b弹性体薄膜和MXene结合，制备出具有优异电输出性能和自愈合性能的TENG。PDMS弹性体的合成路线如图1所示。

图1 PDMS弹性体的分子结构设计: (a) PDMS弹性的合成路线; (b) PDMS交联网络的示意图。

氢键和二硫键的动态可逆特性以及PDMS弹性体自身良好的柔韧性，赋予了PDMS高拉伸强度(1.91 MPa)、良好的延展性(340%)、高韧性(断裂功为5.07 MJ/m³)和优异的室温自愈合性能(室温/24 h，自愈合效率高达96%)。

图2 (a-b) PDMS-a和PDMS-b弹性体在室温下愈合不同时间的应力-应变曲线; (c) PDMS-c弹性体不同温度下愈合3 h后的应力-应变曲线; (d) PDMS-b弹性体的力学性能与其它具有室温自愈合性能的PDMS弹性体的拉伸强度比较; (e) 光学显微镜观察PDMS-b的室温自修复过程; (f) 照片展示PDMS-b自修复过程; (g) PDMS-b室温自修复过程示意图。

      得益于芳香族二硫键在室温下的动态交换特性，以及氢键的解离和缔合，PDMS-b弹性体在温和条件下即可实现多次固相回收和化学降解回收。经过三次“粉碎-模压”回收后的PDMS-b弹性体的化学结构和机械性能与原试样几乎没有区别。以无水THF作为溶剂，将PDMS-b弹性体在室温下浸泡24 h即可全部溶解，将其重新再固化后，回收PDMS-b弹性体的力学性能恢复率高达98%。

图3 (a) PDMS-b弹性体的固相回收过程; (b) PDMS-b弹性体经三次“粉碎-模压”回收后的FTIR谱; (c) PDMS-b经三次“粉碎-模压”回收后的应力-应变曲线; (d) PDMS-b的液相回收过程; (e) PDMS-b经三次液相回收后的FTIR谱; (f) PDMS-b经三次液相回收后的应力-应变曲线。

      将PDMS-b弹性体薄膜和MXene结合，制备出具有优异的电输出性能和自愈合性能的TENG。TENG的开路电压保持为13.5 V，并且在三次切割自愈合后开路电压为12.5 V，电输出性能恢复率可达90%。通过简易的溶剂法将PDMS-b弹性体和MXene薄膜进行分离回收，重新固化后组装形成新的TENG，经过三次回收后，TENG的自发电性能恢复近90%。

图4 (a) TENG的工作原理; (b) TENG的开路电压; (c) TENG的室温自愈合过程; (d) TENG 的液相回收过程; (e) 自愈合前后TENG的开路电压; (f) 液相回收前后TENG的开路电压。

该工作发表在Chinese Journal of Polymer Science的"Dynamic Polymer Networks"专辑。王淑娟副教授是该论文的第一作者，井新利教授是该论文的通信联系人。

原文信息：

Room-temperature Self-healing and Recyclable PDMS Elastomers with Superior Mechanical Properties for Triboelectric Nanogenerators

Wang, S. J.; Wang, L.; Su, H. Z.; Wu, Z. C.; Zhang, Q. G.; Fan, W.; Jing X. L. 

Chinese J. Polym. Sci. 2024, 42, 1566–1577.

DOI: 10.1007/s10118-024-3178-5