Electragel：用于先进静电消除与能量收集的高透明粘附性离子凝胶材料

本综述系统介绍了Electragel这一突破性材料，其具备92%透光率和1.6 MPa剪切强度，能有效捕获静止/动态静电荷，实现可控消散（电压从1.9 V降至0.2 V）或高效能量收集（最高达15.5 W m?2）。该材料通过非接地耦合机制，为现代电子设备提供电磁干扰（EMI）和静电放电（ESD）防护，同时将静电能量转化为可用电力，解决了传统接地、电离等方法在微型化、柔性电子应用中的局限性。

　　

1 引言

接触起电是通过摩擦、接触或感应使两个表面产生电荷失衡的普遍现象。这种摩擦起电的基本过程可在日常生活中直接观察到，例如雷暴、沙尘暴和火山喷发中的闪电。接触起电会导致不必要的静电荷积累，引起粉尘吸附、材料粘附、火花火灾、电击以及对电子设备的干扰。尽管已建立经验性安全法规来通过接地连接、电离、感应、加入导电材料及温湿度管理等方式防止放电危害，但这些缓解系统存在表面污染、放电标准不一致、成本高以及在多尘环境中有效性降低等问题。现代电子设备日益提高的敏感度和潜在的电磁干扰问题，凸显了对增强型静电荷管理技术的需求。

近年来开发的自供电摩擦电能收集器（TEH）通过结合接触起电和静电感应，有效将机械能转化为电能。这种方法使TEH能够实时中和静电荷，无需外部电源，并减少了与传统电离器相关的颗粒产生。此外，TEH可在各种环境中运行，包括高粉尘或具有挑战性的条件。它们设计用于通过多种配置消散静电荷，适应接触、滑动相互作用和自由浮动系统，其中直接电气连接可能不可行。这种灵活性增强了它们在不同应用和设置中管理静电的能力。

除了动能刺激外，静电荷还可通过摩擦、感应、静电极化和电晕效应产生。TEH可以缓解来自连续动能刺激的静电荷积累，但对于由与非移动表面摩擦或接触引起的静电荷效果较差，且无法消除由环境因素（如湿度或静电极化）产生的电荷，这些过程可能无需机械输入即可发生。例如，静电荷可能因环境条件或通过感应充电过程而积累在表面上，其中带电物体在不直接接触的情况下影响附近的中性物体。由于TEH依赖运动来运作，它们也无法在静止场景中主动中和静电荷。因此，尽管TEH为管理某些类型的静电提供了有前景的解决方案，但仍需要互补方法来有效应对现代电子学中更广泛的电气化挑战。

本研究提出了一种新颖的方法，利用Electragel矩阵从静止和动态带电源锁定静电荷，从而实现对静电耗散的控制或丰富电能的利用。Electragel是一种超粘附、透明、导电的凝胶，具有浮动电荷吸收矩阵，有助于从多种材料中筛选电荷：邻苯二甲酸盐、氟聚合物、丙烯酸树脂、金属、硅氧烷、玻璃、导电电极，甚至钕磁体，而无需直接电气接地。进行了去电气化动力学实验，研究滚动、流动和摩擦接触产生的静电荷积累，产生了最大1.9 V的输出。由于静电荷感应到Electragel中，该输出降至0.2 V，与带电表面的几何形状和面积无关。来自摩擦正电、摩擦负电、导电和磁化层的发电非常稳定，最高输出达15.5 W m^?2。通过结合摩擦电扰动的原位阻抗谱研究了从这些电气化层到Electragel的电荷转移模式。整体设计包括附着在电气化表面的Electragel层和连接到收集器的Electragel连接。单层设计具有稳定的发电能力，并在1–300 m s^?2的机械输入和0.25–100 Hz频率的14,000秒操作循环中保持完整。随着加速度速率增加至300 m s^?2，电流密度从20增加至632 mA m^?2，证明了Electragel在高水平下有效筛选静电荷的能力。结果证明了Electragel在捕获和管理来自各种带电源的静电荷方面的有效性，增进了我们对电荷动力学的理解，并为能量生成和静电控制的应用开辟了新途径。

2 结果与讨论

2.1 Electragel用于静电荷缓解

现代便携式和可穿戴电子设备在推进物联网（IoT）和医疗技术方面面临日益严重的电磁干扰（EMI）和静电放电（ESD）威胁，这些威胁会降低信号完整性、损坏低压电路并危及用户安全。EMI来自无线信号、电源线或板载组件，在敏感传感器中引入噪声，而ESD事件（例如人体接触）提供高达15 kV的瞬态浪涌， risking irreversible component failure. 当前的解决方案如金属屏蔽膜、导电泡沫和瞬态电压抑制（TVS）二极管存在权衡：刚性屏蔽限制了设备的灵活性和透明度，基于聚合物的添加剂牺牲了机械强度，并且传统的接地方法在微型化设计中失败，其中空间限制加剧了散热和寄生电容。这些限制在超薄、柔性或透明电子设备中，特别是在潮湿或动态环境中，造成了不可靠的保护。

Electragel是一种多功能离子凝胶基材料，独特地应对这些挑战，同时引入了变革性的能量收集能力。具有92%的透明度、1.6 MPa的剪切强度和632 mA m^?2的电荷清除能力，它实时中和静电荷，取代了笨重的TVS二极管，同时其导电离子网络在5G和IoT关键频率上反射和消散EMI。除了保护之外，Electragel的单电极设计利用清除的电气化电荷（例如来自运动或环境摩擦的摩擦电能）来发电，将 otherwise disruptive static buildup 转化为低能量传感器或辅助电路的电源，方案1。这种双重功能消除了对单独屏蔽和能量收集组件的需求，与传统材料相比具有显著优势。其粘附特性进一步简化了集成，作为可折叠设备中的结构粘合剂或显示器的透明涂层，而不影响美观。通过统一EMI/ESD缓解、机械韧性和自持续能量回收，Electragel超越了传统的权衡，为超紧凑电子设备提供了可扩展的多功能解决方案，其中效率、耐用性和可持续性至关重要。本研究将通过分析电荷耗散动力学来评估Electragel作为通过非接地耦合机制的静电荷缓解材料的有效性。

2.2 Electragel非接地耦合机制

去电气化动力学是指减少或中和表面上的静电荷以管理静电，这些静电荷通常通过摩擦、接触或感应产生。当两个相同极性的带电表面接触时，这些材料周围的电场强度增加。如果该强度超过周围环境的介电击穿阈值，静电荷通过介电击穿消散到周围环境中，导致接触去电气化。积累的电荷可以被控制消散到空气中，因为气体的耗散势垒远低于液体和固体。因此，所有传统的去电气化方法都通过两种互补策略专注于中和静电和管理电荷积累：1）通过电离、感应和温湿度控制增强空气中的电荷耗散，优化空气的自然介电特性；2）通过接地或集成导电材料将电荷导向固体，通过提供低电阻路径完全绕过空气。本研究介绍了一种使用Electragel进行静电荷耗散的新方法，Electragel是一种固体导电矩阵，可从表面清除积累的电荷，而无需接地或外部导电组件。与传统的空气介导耗散不同，Electragel为电荷中和提供了直接的低势垒路径，实现了比通过大气击穿可达的更快的静电荷衰减速率。

选择了五种情况以涵盖工业系统中遇到的关键静电产生机制：滚动摩擦（PTFE球模拟颗粒传输）、液固相互作用（PP管中的水流模拟管道）以及摩擦起电（玻璃/丝绸/皮革代表机械摩擦和人体接触）。这种选择测试了Electragel在不同几何形状（平坦表面、弯曲管）和材料界面（固-固、液-固）上的有效性，展示了在涉及颗粒处理、流体动力学和机械系统的真实场景中的广泛适用性。去电气化通过两个易因连续摩擦而带电的介电表面输出电压的降低来评估。例子：

1. 1.

   聚四氟乙烯（PTFE）球在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）培养皿中连续滚动，该培养皿连接到源表以测量滚动PTFE球产生的电荷（图1a）。随着PTFE球连续滚动，培养皿表面产生静电荷，导致可测量的输出电压。由于空气的高耗散势垒，静电荷保持均匀分布在培养皿表面（图1b）。当1 cm²的Electragel附着在培养皿的一侧时，由于其低耗散势垒，它有效地筛选了积累的电荷，显著降低了输出电压。因此，原始培养皿的1.3 V开路电压降至0.3 V当培养皿被附着的Electragel屏蔽时（图1c）。Electragel的这种卓越电压降低能力通过与常规水凝胶材料的比较分析得到进一步证明，详见注S3（支持信息）。

2. 2.

   当PTFE球放置在聚丙烯（PP）离心管中时，它们产生1 V的输出电压。当Electragel附着在管的窄端时，该电压降至0.4 V（图S1a，支持信息）。

3. 3.

   填充水的聚丙烯（PP）离心管连续来回移动，以产生极性液体流过PP表面的静电荷。该运动产生1.9 V的静电荷，当Electragel附着在管的椭圆形端时降至0.14 V（图S1b，支持信息）。

4. 4.

   一根15 cm长的玻璃棒，一端连接到源表，用丝绸摩擦产生1.3 V输出，当Electragel附着在玻璃棒的另一端时降至0.5 V（图1d）。

5. 5.

   同一玻璃棒 against a leather seat 产生1.7 V输出电压。当Electragel连接到棒的另一端时，该电压降至0.4 V（图S1c，支持信息）。

Electragel实现了60–93%的电压降低，而常规方法——接地（约95%降低）需要物理接地连接，限制了绝缘/便携式系统，而电离（通过电晕/放射源85–99%）需要持续电源和维护。相比之下，Electragel无需接地或外部电源即可运行，使其可用于封闭系统（例如真空室）、移动设备以及爆炸性环境，其中常规方法有火花风险。尽管略逊于最优接地，其非接触、基于材料的机制适用于柔性电子、生物医学设备以及传统方法不实用或危险的情景。

2.3 Electragel制备与性能

完整的合成和表征细节在注S1和S2（支持信息）中提供。采用化学氧化自由基聚合法设计了三元共聚物网络，详见实验部分。这种阴离子三元共聚物粘合剂的制备有意利用互补化学功能实现在水环境中的稳健粘附。丙烯酸（AA）提供羧基（-COOH，pKa ≈ 4.2），在水中电离为-COO^?，实现氢键和pH响应粘附，而丙烯酰胺（AAm）贡献胺基（-NH₂），TEMED去质子化以增强交联反应性和链灵活性。AMPS引入强电离的磺酸基（-SO₃^?，pKa ≈ 6.9），确保在不同pH条件下的水合稳定性和静电粘附。硼酸钠通过动态硼酸酯键交联这些电离官能团（-COO^?、-NH^?、-SO₃^?），创建可逆网络，平衡内聚强度（通过自愈合交联）和粘附能力（通过自由官能团）。过硫酸铵（APS）/TEMED引发系统在环境条件下高效产生硫酸根自由基，确保均匀聚合。这种协同设计结合了AA的湿粘附、AAm的氢键灵活性、AMPS的离子韧性和硼酸盐的动态交联，实现了多功能粘合剂，优化用于竞争性相互作用关键的应用。

通过光谱技术严格表征了三元共聚物的分子结构，以验证结构完整性和官能团相互作用。三元共聚物在900–300 nm范围内高度透明（>93%），并在304 nm处显示吸收峰，这与酰胺官能团中羰基的π–π*跃迁相关（图2b）。IR光谱中1700和1674 cm^?1处的显著谱带分别证实了羧酸和酰胺的羰基官能团。三元共聚物是亲水的，如3200 cm^?1处的-NH和-OH基团峰所示。1160–1060 cm^?1处的峰与磺酸基相关，表明三元共聚物的离子特性。1258 cm^?1处的谱带对应于来自硼酸钠的B–O–H，证实了交联和可用于氢键的空位（图2c）。热分析表明25%的封闭水含量，这些水在100°C前逐渐从矩阵中消除；100°C以下无 abrupt decline peak 表明高交联密度（图2d）。夹在玻璃板之间的三元共聚物的粘附强度展示了令人印象深刻的粘附能力；它达到约1.6 MPa的峰值（图2e；电影S1，支持信息）。这种高粘附值表明离子凝胶和玻璃表面之间的稳健结合，归因于强分子间相互作用如氢键和静电力。 upon shear displacement, 随着有效面积减少，键减弱。XPS分析（图2f）进一步证实了三元共聚物的特征结合能：脂肪族碳（C 1s在284.7 eV）、磺酸硫（S 2p在168.0 eV）和酰胺/丙烯酸氧/氮（O 1s在531.5 eV，N 1s在399.8 eV）。¹H NMR谱通过 distinct proton environments 验证单体整合：AMPS亚甲基（2.47 ppm）、丙烯酰胺NH₂（1.19 ppm）和重叠的酰胺质子（2.13 ppm），图2g和注S2（支持信息）。

总体而言，Electragel作为浮动电荷吸收矩阵，通过内部吸收和中和静电电荷通过离子迁移和体相材料中的偶极极化起作用，而不是将它们分流到外部接地连接。这种电荷吸收矩阵的分子水平机制根植于其定制的三元共聚物设计，使其能够实现高效电荷 sequestration（1.9 V）和可控释放（0.2 V残余）。包含强电离磺酸基（-SO₃^?）来自AMPS的网络提供了高密度移动离子，迁移以屏蔽任何外部静电场。同时，动态硼酸酯交联以及来自丙烯酸和丙烯酰胺单元的羰基和酰胺基的固有偶极在电场响应中极化，创建局部化内部偶极，进一步稳定 incoming charges。对于可控耗散，释放路径由电气配置决定：当连接到电路时，隔离的电荷通过外部负载驱动可测量的电流，而在开路配置中，电荷通过离子迁移率和矩阵本身的介电弛豫进行 gradual recombination，防止突然放电。这种移动离子用于快速电荷捕获和动态交联用于结构稳定性的组合使Electragel能够作为高效的浮动电荷库，能够管理静电能量而无需接地连接。

2.4 从去电气化动力学中收集电能

为了从坚硬固体带电物体收集电能，设计了一种单电极能量收集器（t-SEH），它由三层组成：负电气化层（n-EL，脆性固体）、静电感应层（Electragel）和电导体（Ag引线）（图3a）。电荷转移循环开始于任何浮动固体正电气化层（p-EL）接触n-EL时，在两个表面产生相等但相反的电荷，导致没有电势差。当表面分离时，n-EL上的静电荷在Electragel中诱导离子迁移，并在n-EL/Electragel界面产生正离子 surplus。同时，在Electragel和Ag之间形成 electric double layer（EDL），引起极化并在Electragel上产生负电荷，在Ag上产生相等正电荷。电子通过外部负载从Ag流向地，直到n-EL上的静电荷被中和。该EDL表现出高电容（约0.1 F m²）和低电压（约10^?2 V）；该电压低于1 V防止电化学反应。当p-EL远离n-EL时，保持静电平衡。然而，当p-EL再次接近n-EL时，这种平衡被破坏， reversed the electron flow 从地到Ag/Electragel界面通过外部负载。p-EL的这种循环性接近和 retreat 通过破坏和恢复静电平衡产生交流电信号。

当p-EL直接接触n-EL时，短路电荷量（Q_sc）为零，界面间没有开路电压（V_oc）。然而，当p-EL收回时，V_oc和Q_sc变为V_oc = ?σA/2C_o和Q_sc = ?σA/2 respectively。这里，σ是n-EL表面静电电荷的密度，C_o是设备的集体电容，A是n-EL和p-EL之间的接触面积。t-SEH是一个静电系统，表现出固有的电容行为，包含多个电容器。有三个电容层：i) p-EL versus n-EL，ii) n-EL versus Electragel感应层，和iii) Electragel感应层 versus Ag引线节点之间的 electrical double-layer capacitance。在电荷转移循环的释放状态 developed 的EDL决定了t-SEH的性能，因为在这个阶段所有界面都 initiated 电荷感应。

连接到地以PMMA作为正极的t-SEH显示电荷转移为26 nC（图S3，支持信息），V_oc为45 V（图3b），和J_sc为20 mA m^?2（图3c）。t-SEH的功率密度在外部电阻范围（10²–10⁶ Ω）内测量，并使用P = I²R/A评估，其中I是一个周期在电阻R上的输出电流，对于有效接触面积A。当负载R低于60 MΩ时，输出电流逐渐减少。随着电阻增加 above 60 MΩ，由于电阻 substantial charge usage，电流迅速减少。相关功率密度随着负载电阻显著增加，并在60 MΩ电阻上获得2.26 W m^?2的峰值功率密度。

单电极电气化能量收集设备通常在低顺序操作频率和加速度速率下测试，以避免界面分离、流体膨胀和设备泄漏。为了评估交联感应层的稳定性，t-SEH经受了高达100 Hz的高接触分离频率和高达300 m s^?2的加速度/减速度速率的极端机械操作条件。0.2–100 Hz的频率变化使电荷转移Q_sc从21.3增加至32.3 nC（图S4b，支持信息），开路电压V_oc从37.2–57.2 V（图S4a，支持信息），相应的短路电流密度J_sc为12.6–27.4 mA m^?2（图3e）。当频率激增时，接触分离周期的时间周期减少，并且电气化层上的电荷几乎恒定， minimal dissipation 到周围，从而增强了性能。对于机械耐力，通过改变接触分离加速度/减速度速率从1到300 m s^?2来检查t-SEH。t-SEH的J_sc从20增强至632 mA m^?2（图3f），V_oc从47至300 V（图S4c，支持信息）。t-SEH电荷积累和分离动力学通过加速度速率优化。电流密度随加速度的缩放源于增强的界面接触亲密性，这增加了表面电荷密度（σ）， coupled with 更高的电荷分离速率（dE/dt），这放大了位移电流和Electragel矩阵内的离子迁移。t-SEH设备在极端机械加速度下保持 full structural and functional integrity，没有观察到膨胀、泄漏或界面故障。这证明了Electragel层和固体电气化表面之间的 exceptional adhesion 和稳健电接触。该设备展现出高功率密度以及 superior mechanical endurance 与所有先前报道的使用固体、凝胶或液体中间体的感应基能量收集器相比。这证实了Electragel enhanced charge retention capability 超过常规感应材料。此外，该设备在14000次操作循环后在10 ms^?2的加速度/减速度速率下没有表现出机械降解——包括开裂、分层或界面粘附损失（图S4d，支持信息）。t-SEH在重复机械应力下保持100%性能， confirming its durable physical architecture and long-term functional reliability。此外， confirmed Electragel在 varying humidity and temperature conditions 下的环境稳定性，该材料保持高性能，详见注S4（支持信息）。

由于其强大的快速形成交互矩阵，Electragel可以粘附到各种材料上，无论其形态、表面粗糙度和极性，具有高剪切强度（图S6，支持信息）。然而，为了收集电气化电荷，需要 both adhesion and higher induction of electrification charges than environmental dissipation。在这方面，使用了七种坚硬固体电气化材料来制造t-SEH：Teflon、泡沫、玻璃、PET、金属、ITO和金属网，以Electragel作为感应层，丁腈手套作为浮动电气化层（图4a）。所有设备显示出非常稳定的电输出，Q_sc = 6–30 nC（图S7，支持信息），V_oc = 10–50 V（图4b），和J_sc = 1.1–20 mA m^?2（图4c）。t-SEH的功率密度在外部电阻范围（10²–10⁶ Ω）内测量，并使用P = I²R/A评估，其中I是一个周期在电阻R上的输出电流，对于有效接触面积A。当负载R below the matching resistance point 时，输出电流逐渐减少。随着电阻进一步增加，由于电阻 substantial charge usage，观察到电流迅速减少（图S8，支持信息）。相关功率密度随着负载电阻显著增加，并且对于各种t-SEH系统，在匹配电阻处获得峰值功率密度，如图4d,e所示。不同材料类别之间功率密度的显著差异源于与Electragel界面处 distinct charge transport kinetics。这种可变的电荷利用机制通过原位EIS测量进一步研究。

在测量中，采用了双电极测量设置，其中来自感应层（Electragel/Ag）的一个电极连接到工作电极（WE）和工作感应电极（WS）电缆，而来自浮动电气化层（丁腈手套/Ag）的另一个电极连接到对电极（CE）和参考电极（RE）电缆。对于接触状态下的t-SEH，采用了恒电位测试模式。电气化层的摩擦电扰动能力 guided the charge transfer pattern（图4f）。EIS在宽频率范围内的相位角分布 manifested the charge transfer pattern 在图4g中。有三个区域：10^?2–10⁰ Hz（低频扩散区），10⁰–10² Hz（中频，电荷转移区），和10²–10⁶ Hz（高频，欧姆和感应区）。低频区的活动归因于等效串联电容和矩阵中的离子扩散。中频区显示电荷的静电位移或偶极离域，这是双层的特征。高频区归因于欧姆或感应电阻，源于电极的内阻和法拉第电荷筛选机制。

对于高导电层，EIS谱显示 no dominant low-frequency diffusion tail，表明电荷转移不受离子扩散限制。这是因为导电表面作为扩展电子平面，实现了在Electragel界面处直接快速的离子-电子耦合。丁腈手套（p-EL）具有更大的离域表面积，使电荷更有效地嵌入对电极（CE）。这个过程饱和了CE的容量， thereby reducing the working electrode's（WE, Electragel/Ag） ability to induce further charge。因此，WE周围的电荷通过离子重组在Electragel矩阵本身内 rapidly re-neutralized。这种机制由于快速动力学产生高电流输出，但由于这种高效的瞬时重组，可能限制最大电荷积累。

相反，介电层的EIS谱表现出明显的低频扩散模式，表明电荷转移由场驱动离子迁移和介电体 bulk 内的偶极弛豫控制。动力学顺序为 Foam > Teflon > PET > Glass，直接与材料孔隙率和分子迁移率相关。泡沫的开放结构 facilitate electrodiffusion and greater interfacial ion penetration，增加有效可充电界面。Teflon，尽管其低表面能，允许一些偶极耦合。 dense, rigid dielectrics like glass 显示最受限的离子迁移率。这里，电荷不会在界面处 instantly neutralized。相反，它们积累， creating a sustained potential difference 驱动更高电压输出。高负相位角确认了电容主导过程，其中电荷存储在界面处而不是 instantly recombined。

总体而言，Electragel universal charge-scavenging capability 源于其双重机制适应性：它对导体采用直接离子-电子耦合，对介电体采用场诱导极化。这种多功能性，由其高离子迁移率和丰富极性基团 enabled，确保了跨多样材料界面的有效静电缓解，尽管由于 substrate-dependent kinetics 存在功率输出变化。

为了扩展Electragel的适用性，基于弹性体电气化层制造了t-SEH（图5a），并产生了非常稳定的电输出，Q_sc = 124 nC（图S9，支持信息），V_oc = 265 V（图5b），和J_sc = 229 mA m^?2（图5c）。输出电流密度在外部电阻范围内测量（图5d）。当负载 below the matching resistance point 时逐渐减少，达到212 mA m^?2，如图5d插图所示，并在0.9 MΩ处具有16.2 W m^?2的峰值功率密度。通过桥式整流器将其AC输出转换为DC，探索了基于弹性体的t-SEH作为电源，连接到低功率LED（每个0.06 W）和高功率LED（每个0.5 W）的负载，如图5e,f所示，以及设置电路。LED在连续接触分离循环中点亮和变暗， endorsing（去）电气化过程（电影S2，支持信息）。此外，通过简单电路设置与两个感应线圈（电感：50 μH；直径：52 mm）演示了无线电力传输：一个线圈通过桥式整流器连接到t-SEH，另一个线圈连接到源表或LED，如图5g所示。由于高功率密度和低内阻，当点击t-SEH时LED点亮，如电影S3（支持信息）所示。

钕磁体广泛用于可再生能源技术，特别是电动汽车（EVs），其中它通过为推进产生强大磁场、将再生制动动能转化为电能、优化电池热管理以及促进轻量化基础设施，显著提高了EV效率。然而，由于连续自发电气化和应用电流诱导电气化，磁场强度随时间降低，导致加热、磁体中的涡流和退磁。为了保持磁强度，测试了从钕盘筛选静电电荷在t-SEH构型中（图5h）。t-SEH产生了非常稳定的电气化诱导输出，Q