面向自供电桥梁监测的摩擦纳米发电机自修复水凝胶电极

《JOURNAL OF POWER SOURCES》：Self-healing hydrogel electrode for a triboelectric nanogenerator toward self-powered bridge monitoring

　　

• •
  双动态水凝胶将可逆键合与MXene/银纳米线（AgNW）片-线导电网络相结合。
• •
  该水凝胶实现了636%的应变、1.18 MPa的压缩应力，并在5分钟内实现电学自愈合。
• •
  PTCBMA-TENG输出电压为581 V，电流密度为1.133 mA m^?2，峰值功率密度为0.32 W m^?2。
• •
  自供电传感系统可识别交通、结构位移和碰撞事件，并稳定运行10,000秒。

引言

桥梁等大型交通基础设施在服役过程中持续承受车辆载荷、温度波动、风荷载、水流冲击以及偶发碰撞事件。随着材料老化、局部损伤积累和连接部件退化，其结构状态逐渐演变。结构健康监测系统（SHM）可持续采集应力、位移、振动和冲击信息，为桥梁安全评估、损伤预警和维护决策提供依据[[1], [2], [3]]。然而，传统监测节点通常依赖外部电源、刚性传感元件和复杂布线[4]。在长跨桥梁、偏远地区或维护受限的场景中，这些要求导致安装成本高昂、能源管理困难以及界面适应性不足。因此，柔性自供电传感器件对于构建低维护、分布式的桥梁监测网络具有重要意义[5,6]。

摩擦纳米发电机（TENG）基于接触起电和静电感应原理，可将低频机械运动转化为电输出，在振动能量收集和自供电传感领域展现出巨大潜力[7]。凭借结构简单、材料选择广泛、低频响应灵敏且易于集成到柔性器件中的优势，TENG非常适合捕捉桥梁相关的机械扰动，如车辆通行、轴承位移、伸缩缝开闭和冲击事件[8,9]。然而，用于结构健康监测的TENG不仅需要高输出性能，还需要在反复接触-分离循环、局部变形、潮湿环境和长期运行中保持稳定的界面接触和电荷传输[10]。

柔性电极是决定TENG输出稳定性和传感可靠性的关键组成部分[[11], [12], [13], [14], [15]]。水凝胶具有三维水化网络、良好的柔性、可调的力学性能和优异的界面贴合性，被认为是构建柔性TENG电极的有前景的材料[[16], [17], [18], [19], [20]]。近年来，自供电传感技术已从动态压力检测扩展到可拉伸、力学鲁棒、环境耐受和多功能平台。代表性进展包括用于生物力学能量收集的基于可拉伸水凝胶的TENG[21]、用于高温运行的阻燃纺织品TENG[22]、用于静/动态压力传感的全泡沫TENG[23]、用于海洋传感的防潮结构[24,25]，以及用于增强压力传感和材料识别的电荷管理或微结构设计[26,27]。片上神经形态器件进一步展示了在单一器件内集成多光谱传感和处理的能力[28]。这些研究强调了结构调控、电荷管理和信号处理在提升传感性能方面的重要性。

然而，柔性水凝胶电极在反复桥梁相关机械载荷下仍面临挑战。在大变形和反复接触-分离过程中，电极必须保持力学完整性、重建受损界面并维持连续的导电通路[29,30]。因此，在保持水凝胶柔软性和可重构性的同时开发力学稳定且可恢复的导电网络，仍然是桥梁状态监测中基于水凝胶的TENG面临的关键挑战。

构建具有多种可逆相互作用的动态交联网络是提高水凝胶力学性能和自愈合能力的有效策略[[30], [31], [32], [33]]。聚乙烯醇（PVA）可通过冻融处理形成物理晶区，而硼砂可与PVA链形成动态硼酸酯键[34]。单宁酸（TA）和羧甲基壳聚糖（CMCS）可通过多重氢键、界面吸附和链间相互作用进一步增强能量耗散和界面结合力[35,36]。此类动态网络有助于水凝胶在外力作用下耗散能量，并通过链迁移和动态键交换实现损伤后的局部修复[37]。然而，仅依靠聚合物基动态网络仍难以满足TENG电极对高效电荷传输的需求，因此需要构建连续且相容的导电框架。

MXene和银纳米线（AgNWs）分别代表二维片状导电填料和一维线状导电填料，二者在柔性电子和水凝胶电极中各具有互补优势[38,39]。MXene具有高电导率、亲水表面和丰富的表面官能团，可改善界面相互作用和电荷传输[39]。然而，MXene片层重堆叠可能减少有效导电通道并引起局部网络硬化[40]。AgNWs具有高长径比和优异导电性，可桥连分离的MXene片层并形成片-线协同导电网络。然而，过量AgNWs加载也可能导致团聚、界面异质性和变形受限[[41], [42], [43]]。因此，调节MXene与AgNWs的复合比例有望同时提高水凝胶电极中导电网络的连续性、柔性变形能力和力学支撑性。

本研究开发了一种PTCBMA水凝胶电极，通过将可逆聚合物网络与变形自适应的MXene/AgNW片-线导电框架相结合。PVA晶区提供了相对稳定的物理交联点，而动态硼酸酯键和多重氢键相互作用使得聚合物界面在损伤后能够重建。在该聚合物网络中，AgNWs桥连相邻的MXene片层，改善了变形过程中及愈合后的导电通路连续性。系统地研究了TA/CMCS比例、MXene含量、AgNWs加载量和Al³⁺配位时间对微观结构、力学性能、自愈合行为、导电性和TENG输出的影响。最优的PT₁C₈BM₆A₆水凝胶表现出636%的断裂伸长率、86%应变下1.18 MPa的压缩应力，以及愈合后恢复70.6%原始断裂伸长率的性能。对应的TENG输出电压为581 V，愈合后分别恢复92.8%、93.2%和93.9%的原始开路电压、短路电流和转移电荷。最后，在实验室模拟的车辆通行、轴承沉降、伸缩缝位移和船舶-桥梁碰撞条件下评估了PTCBMA-TENG的性能。这些结果确立了在桥梁专用自供电传感单元中平衡力学可变形性、界面重构和导电通路连续性的材料-器件设计策略。

章节摘要

材料

PVA（水解度99.8%）和CMCS购自Sigma-Aldrich。TA和硼砂购自上海麦克林生化科技有限公司。MXene和AgNWs购自江苏先丰纳米科技有限公司。两种导电填料均以水溶液分散液的形式供应，水作为分散介质。MXene和AgNWs分散液的固含量分别为10和5 mg mL^?1。水凝胶中使用的MXene和AgNWs的用量如下

PTCBMA复合水凝胶的微观结构分析

为分析不同组分对水凝胶网络结构的影响，首先通过SEM观察了样品的截面形貌。如图1a和1b所示，PT₁C₈B和PT₁C₈BM₆均表现出由孔壁支撑的多孔结构，表明PVA基体在冻融处理后形成了相对连续的三维网络。与PT₁C₈B相比，PT₁C₈BM₆在引入MXene后孔壁表面更加粗糙，且局部结构更加致密

结论

本研究的主要进展在于将可逆的PVA/TA/CMCS/硼砂聚合物网络与变形自适应的MXene/AgNWs片-线导电框架进行协调耦合，而非依赖于任何单一组分。动态硼酸酯键和多重氢键相互作用使受损聚合物界面得以重建，而AgNWs桥连相邻MXene片层，改善了变形过程中及愈合后的导电通路连续性。

CRediT作者贡献声明

杨辰豪：写作 – 审阅与编辑、写作 – 原稿、可视化、软件、方法、调查、正式分析、数据管理。罗琦：写作 – 原稿、可视化、软件、方法、调查、正式分析、数据管理。曹川生：可视化、方法、调查、数据管理、概念构思。陈天恩：可视化、软件、方法、调查。程芳芳：软件、方法、正式分析、数据

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的经济利益竞争或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本工作由国家重点研发计划（项目编号：2024YFC3015200），题为"大型桥梁船舶碰撞风险监测、预警及应急防控关键技术"；中国博士后科学基金（2025MD774134）；以及深圳职业技术大学博士后基金资助项目（6025331001K）资助。

杨辰豪|罗琦|曹川生|陈天恩|程芳芳|沈涛|王元昊|姬亚雄