东华大学俞昊课题组：基于陷阱分布与电导率协同优化的摩擦纳米发电机
随着可穿戴电子设备、传感器网络及不断扩大的物联网（IOT）的快速发展，寻找清洁、可再生能源成为现代社会提供动力的重点。利用静电感应和电荷耦合作用，摩擦纳米发电机 （TENG）可收集日常生活环境中无处不在的机械能，具有材料可用性广、重量轻、成本低、低频转换效率高等优点，从而为清洁能源提供了新思路。由于TENG输出能量和表面电荷密度有关，很多关于提高表面电荷密度的方法已被广泛报道，例如增大有效接触面积、人工离子注入等。然而，从材料角度出发进一步改善TENG 的输出性能，以适应不同的应用需求是当前亟待解决的关键问题。在摩擦层与电极间嵌入中间介质层是优化摩擦材料电荷存储、抑制电荷衰减的有效策略之一。然而，对这一领域的研究依然有限，其工作机理、介质层材料性质以及其是否具有普适性仍不得而知。
为深入分析中间介质层的工作机理和对TENG性能的影响，东华大学俞昊教授团队在摩擦层与电极间嵌入不同的介质层，包括聚酰亚胺(PI)、聚丙烯(PP)、尼龙(PA) 、聚乙烯(PE)、聚四氟乙烯(PTFE)、硅橡胶(Silicone rubber)和聚甲醛(POM)等材料，实验表明不同中间介质层对TENG输出性能的提高程度是不同的，其中添加PI介质层时输出电压达到最大1200 V, 与无介质层结构相比提高了380 %。由于中间介质层的加入改变了上层摩擦材料的电荷捕获和存储性能，为了解电荷捕获如何影响TENG器件的输出性能，该团队采用等温表面电位衰减(ISPD)模型计算了各介质层的电荷陷阱分布特性。每个介质层表现出不同的初始表面电势和表面电势衰减特性，其中PI层的初始表面电势最大（绝对值，下同），衰减速率最慢，而POM层的初始负表面势最小，衰减速率最快，这些特性与相应TENG的输出性能一致。因此为中间介质层TENG如何提高输出性能提供了理论基础。
图1 (a)含有介质层TENG的工作原理。（b）不同介质层PI, PP, PA, PE, PTFE,POM 和硅橡胶下TENG的电压输出。（c）计算了不同介质层的总电荷阱陷阱能量分布。
此外，该团队证明了当在摩擦材料下加入介质层时，增强的TENG输出与摩擦层材料的体积导电率有关，而与摩擦材料的电负性或表面结构无关。当PI作为介质层分别添加到PTFE(电负性)和TPU (电正性)之下时，TENG的输出均有显著的提高；而添加不同含量的MWCNTs调控TPU体积电导率，TENG的输出随着体积电导率的提高先增加后减少，因此，摩擦材料的体积电导率显著影响电荷存储的深度和TENG输出性能提高的程度。这就为利用陷阱分布理论与电导率协同制备高性能的中间层增强的TENG提供了更优化的设计策略。最后，研究团队将最优的TENG制作为智能鞋底，应用于老年人或病人的紧急跌倒监测警报系统，探索了其在可穿戴及智能家居领域的应用。
图2（a）TPU-PTFE, TPU-PTFE@PI, TPU@PI-PTFE, TPU@PI-PTFE@PI的电压输出。（b）TPU@PI-PTFE@PI的长时间电压性能。(c) 不同MWCNT含量的TPU薄膜在含有PI介质层和无PI介质层的电压输出。（d）红线为添加PI的TPU和不添加PI的TPU的输出电压提高百分比，蓝线为不同MWCNT用量下TPU/MWCNTs的体积电导率。
图3 TENG智能鞋可以作为一种可穿戴设备，用于远程监测行走状态，也可以作为一个远程紧急呼叫微系统，用于摔倒检测。
以上研究成果发表在ACS Applied Materials & Interfaces上。论文的第一作者为东华大学材料学院博士生吕莎莎，通讯作者为俞昊教授和黄涛博士。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsami.0c18243
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