牛利教授、甘世宇教授， Nano energy观点：界面作用主导的介电调控用于摩擦纳米发电机性能调控- 大数跨境

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牛利教授、甘世宇教授， Nano energy观点：界面作用主导的介电调控用于摩擦纳米发电机性能调控

科学材料站

2021-11-27

导读：本文引入到聚偏氟乙烯（PVDF）聚合物基体中，由于MXene材料与PVDF具有较强的相容性

文章信息

利用界面相互作用诱导的介电调控方法来设计摩擦层材料以获得高电荷捕获能力和高表面电荷密度的高性能摩擦纳米发电机

第一作者：宋忠乾&李伟燕

通讯作者：甘世宇*，牛利*

单位：广州大学，中国科学院长春应用化学研究所，中国科学技术大学

研究背景

摩擦电纳米发电机(TENG)是一种通过收集周围环境中分散机械能的能量采集系统，由于其成本低效益高、材料选择广泛、制造工艺方便，近年来受到了人们的广泛关注。但由于输出电流密度相对较低，输出电性能不能令人满意，仍然是作为可持续电源实际应用的阻碍。

考虑到摩擦起电和静电感应的基本原理，摩擦层材料的介电性质、表面电荷密度、有效摩擦接触面积和表面化学性质将决定TENG的输出性能。因此，对摩擦层材料的介电调控和优化是提高TENG输出电性能的一种有效途径。

文章简介

基于此，广州大学甘世宇教授与牛利教授团队在国际知名期刊Nano energy上发表题为“Enhanced Energy Harvesting Performance of Triboelectric Nanogenerator via Efficient Dielectric Modulation Dominated by Interfacial Interaction”的观点文章。

基于前期对含氟聚合物材料介电性能调控的研究基础之上（Carbon, 2019, 141, 728；J. Mater. Chem. C, 2019, 7,10371），选用两种结构类似但表面官能团性质不同的MXene（Ti₃CNT_x和Ti₃C₂T_x）材料，引入到聚偏氟乙烯（PVDF）聚合物基体中，由于MXene材料与PVDF具有较强的相容性，利用两者间的界面相互作用实现对PVDF摩擦材料的介电调控，实现了对摩擦纳米发电机输出特性的显著提高。

图1. TENG输出电性能提升机理及MXene/PVDF功率密度的提升

本文要点

要点一：两种MXene材料的区别

本文选用两种典型的二维过渡金属碳化物(Ti₃C₂T_x)和碳氮化物(Ti₃CNT_x) MXene作为填料，Ti₃C₂T_x中的部分碳原子被氮原子随机取代，相对于Ti₃C₂T_x，Ti₃CNT_x具有更丰富的表面基团(-OH和-F)，并额外引入了大量的-NH基团，这些官能团将提供较强的界面相互作用。

图2 摩擦发电机示意图，以及Ti₃C₂T_x和Ti₃CNT_x的XPS图，表明两种MXene材料的结构差异性

要点二：MXene材料对PVDF介电性质的影响

Ti₃CNT_x和Ti₃C₂T_x与PVDF之间均存在强烈的界面相互作用，但由于Ti₃CNT_x拥有更多的官能团，赋予其与PVDF更强的界面相互作用。一方面，这种相互作用促进了PVDF分子链从α相到β相的转变，形成更多了偶极子；另一方面，由于PVDF和MXene材料的介电差异，使较多的空间电荷聚集在两者界面。

上述两方面促进了PVDF/MXene摩擦材料的介电常数显著提高，但由于MXene材料的含量较低，避免了导电通路引起的介电损耗，因此介电损耗因子保持在较低的水平。

图3 摩擦纳米发电机的介电调控机理图及其电势分布模拟结果

要点三：表面电荷密度的提升和电荷捕捉能力的提升

由于PVDF/Ti₃CNT_x具有更高的介电常数，使薄膜具有较高的电荷储存能力，同时由于膜保持着较低的介电损耗，薄膜的电荷捕捉能力也明显提高。在Ti₃CNT_x含量仅为0.4wt%时，PVDF/Ti₃CNT_x的表面电荷密度提高到了82 μC/m2，同时表面电势也下降到-433mV。

图4 PVDF/MXene薄膜的介电性质、电容、晶相结构和表面电势

要点四：摩擦纳米发电机性能

图5 基于PVDF及其复合薄膜的摩擦发电机的输出电压、电流和功率密度；以及不同压力和频率下的电压输出及其器件的稳定性

图6 摩擦纳米发电机的应用展示

基于PVDF/Ti₃CNT_x的摩擦纳米发电机器件表现出较高的输出电压和电流，以及较高的功率密度，在添加量为0.4wt%时，器件的功率密度可达2.5 W/m², 是纯PVDF器件的6.25倍。其输出电压随着外加作用力的增大和频率的提升而提高，这和大多数摩擦纳米发电机结果一致。

另外发电机还表现出良好的循环稳定性，经过10万次的循环，其输出电压基本不发生衰减。同时，摩擦纳米发电机可以将机械能转化为电能并储存在电容器中，或者为商用LED和电子手表等供应电能。

文章链接

Enhanced Energy Harvesting Performance of Triboelectric Nanogenerator via Efficient Dielectric Modulation Dominated by Interfacial Interaction

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106759

通讯作者简介

牛利教授

广州大学教授，国家杰出青年科学基金、中国科学院“百人计划”、国家“万人计划”领军人才、国务院政府特殊津贴、国家科技部“中青年科技创新领军人才”等；主要研究领域包括纳米结构复合材料的设计构建、界面电子转移机制研究、原位光谱电化学分析技术及分析仪器化设计等方面。围绕相关领域多年来其科学研究涉及多个学科交叉，从催化化学到高分子材料化学，从化学修饰电极到界面电化学，从电化学传感工艺到分析仪器化设计，从柔性电子学到生物医学应用等，有着多年的工作积累。近年来在Nature Sustainability，JACS，Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Nano, Nano Energy, Anal. Chem.等国内外核心刊物发表SCI论文400余篇，他引 17000 余次，申请国家发明专利 50 余项，其中 30 余项已获授权，出版中英文专著各 1 部，撰写中英文章节 3 章，在国内外学术会议上做大会报告和邀请报告 100 余次。主持及参与多项科技部、国家自然科学基金委、科学院及省市地方企业的科研项目 70 余项。

第一作者介绍

宋忠乾为本文第一作者，于2020年01月博士毕业于中国科学院长春应用化学研究所，师从牛利教授，主要研究方向为柔性可穿戴传感与机电转换器件开发与应用。

李伟燕为本文共同第一作者，于2020年06月博士毕业于中国科学院长春应用化学研究所，师从聂伟研究员，主要研究方向为聚合物材料介电性能调控及其在纳米摩擦发电机中的应用。

课题组介绍

课题组主页：http://caas.gzhu.edu.cn/index.htm

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