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    東華大學俞昊課題組:基于陷阱分布與電導率協同優化的摩擦納米發電機
    2021-01-15  來源:高分子科技

      隨著可穿戴電子設備、傳感器網絡及不斷擴大的物聯網(IOT)的快速發展,尋找清潔、可再生能源成為現代社會提供動力的重點。利用靜電感應和電荷耦合作用,摩擦納米發電機 (TENG)可收集日常生活環境中無處不在的機械能,具有材料可用性廣、重量輕、成本低、低頻轉換效率高等優點,從而為清潔能源提供了新思路。由于TENG輸出能量和表面電荷密度有關,很多關于提高表面電荷密度的方法已被廣泛報道,例如增大有效接觸面積、人工離子注入等。然而,從材料角度出發進一步改善TENG 的輸出性能,以適應不同的應用需求是當前亟待解決的關鍵問題。在摩擦層與電極間嵌入中間介質層是優化摩擦材料電荷存儲、抑制電荷衰減的有效策略之一。然而,對這一領域的研究依然有限,其工作機理、介質層材料性質以及其是否具有普適性仍不得而知。


      為深入分析中間介質層的工作機理和對TENG性能的影響,東華大學俞昊教授團隊在摩擦層與電極間嵌入不同的介質層,包括聚酰亞胺(PI)、聚丙烯(PP)、尼龍(PA) 、聚乙烯(PE)、聚四氟乙烯(PTFE)、硅橡膠(Silicone rubber)和聚甲醛(POM)等材料,實驗表明不同中間介質層對TENG輸出性能的提高程度是不同的,其中添加PI介質層時輸出電壓達到最大1200 V, 與無介質層結構相比提高了380 %。由于中間介質層的加入改變了上層摩擦材料的電荷捕獲和存儲性能,為了解電荷捕獲如何影響TENG器件的輸出性能,該團隊采用等溫表面電位衰減(ISPD)模型計算了各介質層的電荷陷阱分布特性。每個介質層表現出不同的初始表面電勢和表面電勢衰減特性,其中PI層的初始表面電勢最大(絕對值,下同),衰減速率最慢,而POM層的初始負表面勢最小,衰減速率最快,這些特性與相應TENG的輸出性能一致。因此為中間介質層TENG如何提高輸出性能提供了理論基礎。


    圖1 (a)含有介質層TENG的工作原理。(b)不同介質層PI, PP, PA, PE, PTFE,POM 和硅橡膠下TENG的電壓輸出。(c)計算了不同介質層的總電荷阱陷阱能量分布。


      此外,該團隊證明了當在摩擦材料下加入介質層時,增強的TENG輸出與摩擦層材料的體積導電率有關,而與摩擦材料的電負性或表面結構無關。當PI作為介質層分別添加到PTFE(電負性)和TPU (電正性)之下時,TENG的輸出均有顯著的提高;而添加不同含量的MWCNTs調控TPU體積電導率,TENG的輸出隨著體積電導率的提高先增加后減少,因此,摩擦材料的體積電導率顯著影響電荷存儲的深度和TENG輸出性能提高的程度。這就為利用陷阱分布理論與電導率協同制備高性能的中間層增強的TENG提供了更優化的設計策略。最后,研究團隊將最優的TENG制作為智能鞋底,應用于老年人或病人的緊急跌倒監測警報系統,探索了其在可穿戴及智能家居領域的應用。


    圖2(a)TPU-PTFE, TPU-PTFE@PI, TPU@PI-PTFE, TPU@PI-PTFE@PI的電壓輸出。(b)TPU@PI-PTFE@PI的長時間電壓性能。(c) 不同MWCNT含量的TPU薄膜在含有PI介質層和無PI介質層的電壓輸出。(d)紅線為添加PI的TPU和不添加PI的TPU的輸出電壓提高百分比,藍線為不同MWCNT用量下TPU/MWCNTs的體積電導率。


    圖3  TENG智能鞋可以作為一種可穿戴設備,用于遠程監測行走狀態,也可以作為一個遠程緊急呼叫微系統,用于摔倒檢測。


      以上研究成果發表在ACS Applied Materials & Interfaces上。論文的第一作者為東華大學材料學院博士生呂莎莎,通訊作者為俞昊教授黃濤博士


      論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsami.0c18243

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