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北航陳華偉課題組 Nano Energy：PTFE微粒增效的高拉伸摩擦納米發電機用于液滴能量收集

2023-11-01 來源：高分子科技

近日，北京航空航天大學機械學院陳華偉課題組在《Nano Energy》上發表了用于液滴能量收集的柔性摩擦納米發電機（TENG）新進展，論文題目為“Highly stretchable PTFE particle enhanced triboelectric nanogenerator for droplet energy harvesting”，陳華偉教授、張力文講師為通訊作者，博士生楊昌君為第一作者。

液-固摩擦納米發電機可廣泛應用于自然界液滴能量的收集。摩擦層表面的疏水處理可以提高液滴與摩擦層的接觸分離效率，對于提高TENG的發電量至關重要。然而，當前研究報道的TENG的電輸出性能需進一步提升從而滿足柔性電子器件的需求；且傳統方法（如倒模法、噴涂法、氟化處理及靜電紡絲法等）制備的疏水摩擦層機械及耐久性能較差，極大地限制了TENG在柔性電子鄰域中的應用。

基于上述問題，該研究提出了一種新型的可拉伸疏水性摩擦納米發電機（SH-TENG），它在收集液滴能量方面具有優異的電學性能和機械性能。聚四氟乙烯（PTFE）微粒具有優異的疏水性和電負性，Ecoflex00-30硅膠具有出色的機械性能，因此被選取為摩擦材料。電極材料選用具有高導電性和形變適應性的液態金屬（LM）。通過開發一種全新的摩擦層制備工藝，保證在極度拉伸或磨損的情況下，PTFE微粒也能牢固地粘結在柔性基底上，從而確保SH-TENG的輸出性能。PTFE的疏水性提高了液滴與摩擦層之間的接觸分離效率，而其優異的電負性則增強了液滴與摩擦層之間的電荷轉移。與未經改性的TENG相比，PTFE微粒大大提高了SH-TENG的電輸出性能。且所制備的SH-TENG樣品即使在大拉伸形變或機械磨損的情況下也能正常工作。在應用實驗中，SH-TENG可為微型手表實時提供充足的電能，進一步證實了所提出的SH-TENG可與多種物體集成，用以收集液滴能量并為低功耗電子設備供電。

圖1 （a）SH-TENG的制備工藝和（b）工作機理

在制備流程中，將液態金屬吸附在具有表面微結構的柔性基底上用以制備柔性電極。以硅膠對電極進行封裝并制備摩擦層，使其進行預固化后將PTFE微粒沉降至其表面；在其完全固化后，半嵌入式的PTFE微粒粘結在摩擦層表面，形成表面疏水性摩擦層。

圖2 SH-TENG的圖像及表征

以上述工藝制備的SH-TENG樣品使PTFE微粒穩定的粘合在摩擦層表面，PTFE微粒可有效提升摩擦層的接觸角，其可在SH-TENG收集液滴能量時提升液滴與摩擦層之間的接觸-分離效率，進而提升SH-TENG的輸出性能。同時，該研究提出的SH-TENG具備了優異的拉伸性能。

圖3 基于不同摩擦層的TENG輸出性能對比

進一步選取了SiO₂微粒（疏水材料），PA6微粒（親水材料）作為摩擦層表面修飾材料；分析了液滴在不同摩擦層表面的運動狀態，對比了基于不同摩擦層的TENG輸出性能。結果顯示，在PTFE微粒對摩擦層疏水性及電負性的協同增效下，輸出性能展現最優，開路電壓（V_OC）與短路電流（I_SC）高于未經表面修飾的6倍以上，體現了所選材料和制備工藝的合理性。

圖4 SH-TENG輸出性能表征

SH-TNEG的V_OC和I_SC與液滴體積呈正相關，當液滴體積為29.3 μL時，其電荷轉移密度為~4.74 × 10^-3 C/m²·L。得益于獨特的制備工藝，即使在極大拉伸狀態（500%）或機械磨損的情況下，PTFE微粒仍能牢固地粘結在摩擦層表面，相應的，SH-TENG的輸出性能衰減小于20%，證明了所提出的SH-TNEG具備優異的電學性能和力學性能。

圖5 SH-TENG應用展示

憑借出色的功率密度，可拉伸性及耐用性，SH-TENG可與多種物體進行集成，收集雨滴能量為可穿戴設備等低功耗器件供電。在50 mL/min的模擬雨滴流速下，總面積為0.016 m²的SH-TENG樣品可為微型手表提供充足的電能。

該研究提出了一種可拉伸疏水性的TENG，面向收集多種情況下的液滴能量。由于PTFE具有優異的疏水性和負電性，因此被用作摩擦層的改性材料。介紹了一種制備可拉伸疏水性摩擦層的新型工藝，從而有效解決了傳統固液式TENG機械性能差的問題。對比了不同微粒修飾下TENG樣品的輸出性能，結果表明經PTFE微粒改性的SH-TENG的V_OC和I_SC分別高于未改性的7倍和6倍，電荷轉移密度為4.74 × 10³ C/m²?L。即使在拉伸率為500%或機械磨損的情況下，SH-TENG的輸出衰減也小于20%。應用實驗表明SH-TENG樣品能在模擬雨天環境下為微型手表提供足夠的電能。綜上，該研究提出的SH-TENG具有出色的輸出性能和耐久性能，可與多物體集成用以收集液滴能量并為電子設備供電。
該研究得到國家自然科學基金（Nos. 51935001 & 51725501）、國家重點研發計劃（No. 2019YFB1309702）等項目資助。

論文信息：C. Yang, Y. Wang, Y. Wang, Z. Zhao, L. Zhang, H. Chen, Nano Energy, (2023) 109000.

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.109000

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（責任編輯：xu）

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