中科院纳米能源所王中林院士/王杰研究员课题组《Nat. Commun.》：通过抑制空气击穿评估介质材料摩擦电性能的通用标准化策略

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摩擦纳米发电机（TENG）在机械能收集和自驱动传感方面具有潜在的应用前景，摩擦起电电荷密度（TECD）和能量密度是评价其介质材料输出性能的两个关键参数。然而，它们容易受到环境因素、击穿效应和结构参数的影响，因此，迫切需要一种能够评估不同介质材料的最大摩擦起电电荷密度和能量密度的标准化策略。

中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士与王杰研究员在《Nat. Commun.》期刊上发表了题为“Standardized measurement of dielectric materials’ intrinsic triboelectric charge density through the suppression of air breakdown”的文章（DOI: 10.1038/s41467-022-33766-z）。该课题组提出了一种评估TENG中介质材料的最大TECD和能量密度的标准化策略，研究人员首先证实了真空条件下最大表面电荷密度与介质材料厚度的独立性，为量化多种介质材料的TECD奠定了基础。其次，在避免空气击穿和环境因素对电荷损失影响的基础上，研究人员采用接触分离模式的摩擦纳米发电机 (CS-TENG)为工具，评估了40种介质材料的最大TECD。此外，研究人员提出了摩擦材料对的概念，通过选择弹性氟橡胶与不同金属实现共形接触，实验结果表明真空下最大TECD与接触金属的功函数有一定的相关性，揭示了TECD与材料固有性能之间的关系。最后，研究人员对15种介质材料的最大能量密度进行了测量，其输出结果显著高于空气下受限于空气击穿的测量值。该研究为评估TENG中介质材料的最大TECD和能量密度提供了一种通用的标准化方法，有助于弥合实际输出性能与最大输出性能之间的差距，并促进对接触起电的理解。

图1. 介质材料摩擦电性能的评估策略。 a 定性的摩擦序列。b TENG工作原理和电荷转移过程示意图。 c TENG中间隙电压与击穿电压的关系。d摩擦电荷、静电感应电荷与静电击穿电荷的关系示意图。e存在击穿效应条件下评估TECD和能量密度的详细策略。 f 以真空条件为例展示移除击穿效应时TECD的优势。

研究人员系统地讨论了存在空气击穿的条件下应该综合考虑材料、结构、机械运动以及环境等参数对电荷损失的影响，以及避免空气击穿的条件下（以真空为例）如何量化介质材料的最大TECD和能量密度的标准化策略，并且指出了真空下研究摩擦电性能的优势。

图2. 论证所提策略的可行性。a CS-TENG中最大表面电荷密度与气压的关系。b不同介质层厚度的CS-TENG在真空和大气条件下的电荷密度。 c-e气压对电荷密度的影响机理。f 300 Pa不同温度下的电荷密度。g高真空环境不同温度下的电荷密度。 h-j 温度对电荷密度的影响机理。k电荷密度累积曲线。研究人员以CS-TENG为工具，系统研究了气压、温度和介质层厚度对表面电荷密度的影响，一方面揭示了上述因素对空气击穿的影响，从而限制最大表面电荷密度，另一方面揭示了真空下介质层厚度与最大表面电荷密度无关，为量化多种介质材料的TECD奠定了基础。以聚氯乙烯（PVC）为例，展示了介质材料表面电荷密度分别在大气环境和真空环境下的累积过程，进一步证实了该策略的可行性。图3 四十种介质材料的TECD（高真空环境下五个独立样品的测试结果）。以CS-TENG为工具，对40多种介质材料的TECD进行了评估，得到的摩擦序列综合考虑了电荷极性和电荷量两个参数。图4. 摩擦材料对与摩擦电性能。a 摩擦材料对示意图。b氟橡胶与不同金属的摩擦电性能。 c PVC与Cu的输出电荷密度。d CS-TENG中采用不同方法实现的电荷密度记录。 e 固固摩擦对与固液摩擦对的电荷密度对比。k不同介质材料与不同金属的摩擦电荷密度。研究人员探讨了不同金属与介质层表面最大TECD之间的关系，实验结果表明真空TECD可能与接触金属的功函数有关，揭示了TECD与材料固有性能之间的联系，其中以聚氯乙烯（PVC）和金属铜作为摩擦材料对可以实现1250 µC m^-2的TECD。此外，研究人员选择了几种功函数有明显差异的金属与几种不同的介质材料进行摩擦起电，结果表明介质材料显示出类似于金属的“有效功函数”，功函数差值大的摩擦材料对倾向于实现更高的输出性能。图5. 基于真空TECD的不同介质材料的能量密度。a 能量密度测试原理示意图。b开路条件下不同厚度介质层的最大电荷密度。 c真空与大气下的能量密度与负载电阻的关系。d十五种代表性材料的最大能量密度。研究人员利用真空下的TECD在接近开路条件下也未衰减的特点，对15种代表性介质材料的最大能量密度进行了测量，其输出结果显著高于空气下受限于空气击穿的测量值。未来通过减小寄生电容对测试结果的影响，该输出能量密度可以得到进一步提高，显示出TENG在能量收集方面的巨大潜力。

作者团队简介

课题组主页：http://www.binn.cas.cn/ktz/wjyjz

原文链接

https://doi.org/10.1038/s41467-022-33766-z

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