摩擦纳米发电机（TENG）是一种很有前途的可再生能源转换装置，用于收集自然界中的各种低频机械运动，如人体运动和雨滴。然而，大多数现有的TENG仍然面临着机械稳定性差、环境适应性低和工作模式单一等挑战。作为负介电层之一，聚二甲基硅氧烷（PDMS）具有柔韧性、透明性、疏水性和生物相容性等优点。然而，纯PDMS的摩擦电负性并不令人满意。为了弥补这一缺陷，人们开发了各种微结构来提高PDMS的比表面积和压缩性，包括表面图案化处理或构造内部孔结构。一方面，PDMS表面图案化处理可以赋予TENG优异的防污和耐湿特性，极大地扩展其应用场景；另一方面，在PDMS弹性体中构造微/纳米孔结构也是获得高比表面积和高压缩率的有效途径。但很少报道将这两种策略结合起来制造高性能、耐用和可扩展的TENG。除了结构构造外，介电层的表面润湿性也是影响TENGs输出性能的重要因素。通过表面疏水化处理，可以巧妙地克服水分的负面影响，同时实现出色的电输出增强效果。然而，在日常生活中，含水条件下的机械运动是不可避免的。因此，除了耐湿性外，TENG在高润湿表面上的工作性能也值得研究。由于TENG的耐湿性不能与耐水能力直接相关，因此仍有必要为TENG器件开发新的表面改性方法，以克服潮湿环境或含水界面的负面影响，进一步促进其通用性并适用于各种复杂环境。近日，西安科技大学化学与化工学院屈孟男教授团队在Chem. Eng. J (IF:13.273) 上发表了题为“Superwettable hybrid dielectric based multimodal triboelectric nanogenerator with superior durability and efficiency for biomechanical energy and hydropower harvesting”的研究论文。本论文通过简单旋涂和喷涂工艺，并结合磁场辅助，制备了一种新型、高性能超润湿混合电介质基TENG (HD-TENG)，实现了各种人体机械能 (例如，步行、手臂摆动和拍手) 和水能 (雨滴和波浪) 的同时收集。值得注意的是，该混合电介质层 (HDL) 同时具有内部微/纳米孔结构和表层微纤毛结构，这极大的提高了其比表面积、可压缩性以及防水特性。通过进一步的结构优化，HD-TENG展现出高柔韧性 (包括各种卷曲、弯曲和扭曲等测试)、优异的耐洗性(4 h水洗)和防潮性(>80% RH)。在单电极模式下，HD-TENG (5 × 5 cm2) 的峰值功率密度可达为 3.2 W m-2。配合电源管理电路可长时间驱动商用低功耗电子设备 (例如计算器和电子表) 工作。此外，在HD-TENG的上表面加载外部电极（Al 或 Cu 电极）以消除界面屏蔽效应。这种升级的配置使得外部电极、内部ITO电极和HDL之间的体效应取代了传统的液-固界面效应，从而促进了电荷转移。结果表明，基于体效应的 HD-TENG 可用于收集自然环境中的水滴能和波浪能，并具有优异的输出效率(最大功率密度分别为215 mW m-2和1.3 W m-2)。该研究为开发可扩展且柔性的多模式TENG并用于自供电的人类活动监测和蓝色能量收集铺平了道路。
图1 多模式HD-TENG的制造工艺和基本性能。(a) HDL薄膜的制造示意图。(b) HD-TENG的详细结构。(c) HD-TENG的横截面SEM图像。(d) GO/PDMS层的SEM图像。(e) HDL薄膜表面的SEM图像，其显示了表面的分层形态。(f) 制备的HDL薄膜的照片，其表面对各种水滴表现出优异的超疏水性。(g) 分别使用和不使用成孔剂GO制备的HD-TENG 的光学图像。(h) HD-TENG的三种工作模式示意图及应用场景。
图2 HD-TENG在单电极模式下的耐久性和电输出特性。(a) HD-TENG在0.5到2.5 Hz的不同工作频率下的Voc。(b) HD-TENG的输出电压作为施加压力的函数。(c) GO/PDMS薄膜和HDL薄膜分别置于高湿度环境（~80% RH）时的输出信号恢复过程曲线。(d) HD-TENG的稳定性测量。(e) HD-TENG分别在卷曲、弯曲、扭曲和洗涤下的光学图像。(f) 剧烈水洗涤4小时后HD-TENG仍可点亮LED的照片。(g) HD-TENG在经受各种极端变形和严重洗涤后的Voc。(h) HD-TENG的Voc与不同材料的相对接触分离运动。
图3 基于HD-TENG的生物力学能量采集。(a) HD-TENG在手动敲击下点亮415个 LED。(b) HD-TENGs 的输出电压分别贴在手腕和手臂上。(c) HD-TENGs的输出电压分别贴在脚和腰上。(d) 基于 HD-TENG的自充电电源系统的工作电路。(e) HD-TENG在不同电容容量 (1、2.2、4.7、10、15 和 20 μF) 下的充电曲线。(f) 对于4.7μF商用电容器，HD-TENG在不同工作频率下的充电特性曲线。(g) 不同外部负载电阻下的输出电压、电流和功率密度测试 (工作频率和施加的力分别为 2.5 Hz和20 N)。(h) 手动敲击HD-TENG并驱动商用电子表和计算器工作。(i) 连接在电源管理上的电容器 (10 μF) 的充放电曲线。
图 4 基于HD-TENG的环境水能采集。(a)液滴式HD-TENG能量采集器的示意图。(b) 液滴式能量采集器的工作原理示意图。(c) 输出电压与不同水滴下落频率的关系。(d) 输出电压与不同水滴大小的关系。(e) 输出电压与不同水滴下落高度的关系。(f）水滴能量收集的实验装置和在10 mL/s的水流下点亮的14个商业LED。(g) 波浪式HD-TENG能量采集器的示意图。(h) 波浪式能量采集器的工作原理示意图。不同波频(i)和膜面积(j)下的输出电压。(k) 波浪能收集器的实验装置和在1.6 Hz波频率下点亮的60个商用LED。
视频2 通过手动拍击HD-TENG点亮数百盏商用LED灯。视频3 液滴式HD-TENG能量采集器在水流冲击下点亮商用LED灯。视频4波浪式HD-TENG能量采集器在波浪拍打下点亮商用LED灯。该论文实验部分主要由博士研究生王嘉鑫（第一作者）和博士研究生马利利完成，通讯作者为屈孟男教授和何金梅副教授。西安科技大学为作者单位。该项研究得到了国家自然科学基金（51904228），陕西省高等学校青年创新团队（21JP068），陕西省科技厅（2019JM-371），中国博士后科学基金（2019M663938XB），西安科技大学优秀青年科学基金（2019YQ2-09），西安科技大学胡杨学者计划的资助支持。
作者微信：drtea1
化学与材料科学原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：chen@chemshow.cn
欢迎专家学者提供化学化工、材料科学与工程产学研方面的稿件至chen@chemshow.cn，并请注明详细联系信息。化学与材料科学®会及时选用推送。