01 研究背景

物联网的快速发展催生了大量功能性电子设备，为这些分布式设备供能逐渐成为一大挑战。基于摩擦电的自供电技术因其材料选择多样和能量转换效率高的优势，有望成为智能设备的理想供能解决方案。然而，传统正极摩擦电材料由于介电常数较低导致静电感应较弱，同时受热电子发射效应影响，在高温环境下电输出显著降低，限制了其应用。02 文章概述近日，王双飞院士团队通过热诱导交联（HIC）策略构筑了一种具有异质界面的芳纶摩擦电材料。热交联设计显著提升了芳纶摩擦电材料的介电性能、热稳定性和阻燃性，相对介电常数提高了16倍。使用该材料构建的摩擦纳米发电机的输出功率密度可达3.97 W/m2，并在260 °C下保持稳定的高摩擦电输出。这为高性能高温摩擦电材料的开发和应用提供了坚实的基础，为可扩展的自供电智能设备领域的发展提供了参考。这项成果以题为“Thermally Robust Aramid Triboelectric Materials Enabled by Heat‐Induced Cross‐Linking”发表在最新一期《Advanced Functional Materials》期刊上，王志伟副教授和2022级硕士研究生吴迪为本研究的共同第一作者，聂双喜教授为通讯作者，迟明超、邹雪莲、王金龙、赵桐、张慧亚、朱云鹏、江柯漾、孟凡蓁等参与研究。

03 图文导读

1.具有异质界面的芳纶摩擦电材料设计策略本研究提出了一种热诱导交联（HIC）策略，用于制备兼具高机械强度以及优异摩擦电性能的芳纶摩擦电材料。实现异质界面的关键在于保持AONS的均匀分散以及ANF的良好交联。HIC策略有助于材料内形成以氢键为主要相互作用的纳米纤维网络，ANF分子链与AONS充分交联并形成异质界面结构。借助极性溶剂N-甲基吡咯烷酮，在纳米尺度上改善了AONS的聚集。ANF与AONS界面间的大量氢键位点借助HIC形成新的氢键，赋予芳纶摩擦电材料优异的机械强度（149.2 MPa）和介电常数（66.9 @ 1 kHz）。得益于材料优异的性能，设计的自供电检测系统有望满足不同场景下的应用需求。

图1. 芳纶摩擦电材料的制备及应用示意图。

2.芳纶摩擦电材料的制备通过热诱导交联策略制备芳纶摩擦电材料。首先，芳纶纤维经过去质子化形成ANF分散液，之后，ANF再经质子化还原和均质实现在水中的稳定分散。ANF分子链作为稳定框架，与AONS和c-MWCNT之间通过大量氢键链接并形成异质界面结构。最终通过真空辅助过滤与热压策略组装成三维层状芳纶摩擦电材料。结果显示，热交联策略制备的芳纶摩擦电材料具有优异的机械强度和热稳定性。图2. 芳纶摩擦电材料的表征、机械性能和热性能。

3.芳纶摩擦电材料的高介电性能及摩擦电性能图3展示了具有异质界面结构的芳纶摩擦电材料对摩擦电输出性能的影响。我们通过摩擦纳米发电机（TENG）研究了材料摩擦电输出性能。具有异质界面结构的芳纶摩擦电材料表现出显著优异的摩擦电性能，输出功率密度达3.97W/m2,这主要是由于AONS的加入产生了极强的界面极化效应，显著增加了材料的介电常数，进而提高了摩擦电性能。此外，AONS和ANF之间强烈的界面极化也可产生更多的电子陷阱，这些深陷阱对摩擦电性能也具有一定贡献。图3. 芳纶摩擦电材料的摩擦电输出性能。

4. 高温环境下芳纶摩擦电材料的性能图4展示了测试材料摩擦电性能的装置示意图。芳纶摩擦电材料在20-260 °C 的宽温度范围内均可产生较高的电输出，在260 °C下循环15000次后仍可保持稳定电输出，表明其在极端环境条件下具有稳定的摩擦电性能。芳纶摩擦电材料与其他材料相对比，具有显著更佳的高温耐受性与摩擦电输出能力。此外，芳纶摩擦电材料还具有良好的阻燃性，暴露在火焰中长达4分钟后仍不会发生燃烧。图4.芳纶摩擦电材料在高温下的摩擦电输出性能和阻燃性。

5. 用于自供电检测的芳纶摩擦电材料芳纶摩擦电材料作为高热稳定性、摩擦电性能优异的材料，在高温环境下展示了显著的应用潜力。通过构造旋转摩擦纳米发电机（R-TENG），借助芳纶摩擦电材料的优越性能，实现了极佳的风速传感能力，两种工作模式下的R2>0.99。R-TENG在高达80 °C的气体环境中仍能保持稳定的电输出。此外，借助整流器、电容器和无线传感设备设计的自供电检测系统，可实现对高温环境中特定气体浓度的检测。这些结果展示了基于芳纶摩擦电材料的自供电监测系统在复杂高温环境中的可靠性和实用性。图5.由芳纶摩擦电材料构建的R-TENG及其应用。

03 结论本研究采用热诱导交联法制备了具有异质界面的高介电阻燃芳纶摩擦电材料。该材料具有优异的介电性能(εr=66.9)，优异的高温稳定性(最高热解温度为572 ℃)和优异的摩擦电性能，功率密度为3.97 W/m2。此外，芳纶摩擦电材料表现出优异的阻燃性，并能在20-260 ℃的宽温度范围内保持极高的摩擦电性能。借助芳纶摩擦电材料的优异性能，开发了一种风速检测和远程自供电监测系统。该研究为高性能高温摩擦电材料的开发和应用提供了新的途径，在可扩展自供电检测领域显示出巨大的潜力和广阔的应用前景。原文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202413719