韩国科学家利用含氟甲基丙烯酸酯聚合物构筑高效摩擦纳米发电机

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近日，韩国科学技术院（KAIST）的Jin-Baek Kim和韩国中央大学（Chung-Ang University）的Sangmin Lee等科学家，从TENG材料选择和表面微纳形貌构筑两方面入手构筑了高效的摩擦纳米发电机。研究团队选用了含氟甲基丙烯酸酯聚合物（poly(1H,1H,2H,2H-perfluorodecyl methacrylate)，PFDMA）为摩擦材料，采用转移印刷（transfer printing）技术构筑PFDMA表面规整超疏水微纳形貌，同时保持了图案化PFDMA构件较高的透明性和可转移性。

PFDMA表面微纳形貌构筑和TENG结构示意图

研究团队对PFDMA-TENG的摩擦发电输出性能进行了系统测试。结果表明，PFDMA-TENG器件其开路电压（VOC）、闭路电流（ICC）随着PFDMA表面微米棒阵列的高度增加呈现增大趋势，最优输出电压和输出电流分别为68 V和6.68 μA。输出功率依赖于外加负载电阻，当负载电阻为500 MΩ，输出功率达到150 μW。该结果表明PFDMA能够实现表面电荷密度和表面形貌的简便调节，是构筑具有高效摩擦生电输出效率TENG器件的优异材料。

PFDMA-TENG的摩擦发电输出性能测试

此外，基于含氟聚合物的低表面能特性，PFDMA展现出优异的疏水性能。其平面结构PFDMA水接触角为117.7°，而随着表面微纳结构阵列的引入及阵列高度的增加其疏水性逐步增加。当微米棒阵列高度达到20 μm时，PFDMA表面达到超疏水状态（水接触角155.0°）。

TENG表面的润湿性能对于液-固接触应用模式下器件的电学性能有着重要影响。因此，研究团队进一步对PFDMA-TENG液-固接触模式下的应用性能进行了考察。水流速度1.25 ml/s条件下，表面无微纳结构PFDMA-TENG几乎无输出电压，且电压较低；微阵列高度为5 μm、10 μm的PFDMA-TENGs输出电压由于其表面疏水性不充分，导致输出电压较高，但不规律；而微阵列高度为20 μm时，其表面的超疏水特性保证了其高输出电压（4V）的稳定性。

液-固接触模式下PFDMA-TENG性能测试

该研究通过应用新型含氟材料并结合材料表面微纳形貌的简便可控构筑，制备了具有高效输出效率的摩擦纳米发电机PFDMA-TENG。同时，基于PFDMA-TENG的高透明性，以及随着PFDMA表面粗糙度的增加其疏水性和PFDMA-TENG输出电压同步提升的特点，该器件有望进一步结合太阳能电池、人造树叶等构筑复合能量收集系统。

论文链接：

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285517302100

来源：X-mol

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