西工大黄维院士/于海东教授、南工吕刚教授《Adv. Mater.》：利用材料间的态密度匹配制备超高电流密度的摩擦纳米发电机

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摩擦电纳米发电机（TENG）是一种清洁和可持续发展的新式能源，发电原理是利用摩擦起电效应和静电感应有效地将低频机械能转化为电能，器件的摩擦发电层通常由具有不同电子亲和力的介电聚合物构成、或者由介电和金属材料组成摩擦对结构。但是，已有的这类器件由于介电材料的态密度很低，导致静电感应电荷的生成非常有限。因此，目前多数的TENG都是输出电压高、输出电流低。为了大幅度提升输出电流，必须采取更有效的制备策略，让摩擦对材料之间的态密度更加匹配。

西北工业大学黄维院士和于海东教授与南京工业大学吕刚教授在《Advanced Materials》期刊发表了题为“Density-of-state matching-induced ultrahigh current density and high-humidity resistance in a simply structured triboelectric nanogenerator”的文章（DOI:10.1002/adma.202210915）。该团队将具有大态密度的导电材料用作摩擦发电层和电极，研制出了一种新型的摩擦纳米发电机C-TENG。使用PEDOT:PSS薄膜和铜箔作为摩擦对发电材料，让两个摩擦层均具有非常大的态密度，而且两摩擦层的态密度完美匹配，实现了高达1400 V的开路电压和1333mA m^-2的超高输出电流密度。与传统的TENG相比，电流密度增加了近三个数量级。此外，由于两个摩擦层均为导电材料，成功抑制了漏电问题。

图1. C-TENG的设计与输出性能的图示。

C-TENG可以在有水的高湿环境中表现出较高的稳定性。当相对湿度从10%增加到100%时，其开路电压和短路电流几乎没有变化。在100%的高湿度下，C-TENG在10000次循环后高输出也几乎没有变化，有力证明了在高湿环境中的耐用性。即使摩擦层存有水滴，C-TENG也表现出了优异的输出性能，开路电压可达350 V，短路电流可达700 µA，分别为干燥状态下的78%和83%。这是由于高导电摩擦发电层的存在抑制了电荷的泄漏。因此，这种耐湿性能让C-TENG展现出巨大的应用潜力。这项工作为构建高性能的TENG提供了一种新思路，可以用于开发更多高性能的摩擦纳米发电机，大大拓展了这类器件的应用范围。

图2.C-TENG稳定性和耐湿性的图示。

图3.有水滴时C-TENG摩擦层性能的图示。

原文链接

https://doi.org/10.1002/adma.202210915

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