摩擦电电荷密度是评估各种摩擦纳米发电机（TENG）器件输出性能的核心参数，其取决于材料在接触带电过程中的摩擦带电能力。虽然已经开发出如电离空气注入，低能粒子辐照和流变锻造等多种材料处理方法以提高材料接触时的电荷密度，但空气击穿、热电子发射等电荷逸散过程仍是进一步提高电荷密度的最大障碍。例如，聚四氟乙烯（PTFE）在真空条件下测得的摩擦电电荷密度可达0.75 mC·m^-2，而在大气环境下此值仅为0.11 mC·m^-2，这表明在TENG的实际工作过程中存在近85%的电荷损失。因此，非常需要一种能够克服户外电荷逃逸的方法，这可能会给TENG的整个研究领域带来革命性的进步。

  鉴于此，中科院北京纳米能源与系统研究所陈翔宇研究员和王中林院士首次发现在大气环境下，逃逸的电荷可以通过阴离子在接触界面的选择性转移得到补偿，从而获得超高的电荷密度。基于此，研究团队通过萘自由基阴离子来蚀刻PTFE以制备离子化PTFE (I-PTFE)，其在体相中包含有一定量的的萘钠络合离子（[NaNaph]）。在大气环境和室温条件下，I-PTFE作为正摩擦电元件，电晕极化后的氟化乙烯丙烯(FEP，15 μm)作为负摩擦层材料组成TENG在接触分离模式获得了525 μC·m^-2的摩擦电荷密度，在滑动模式下这个值可以超过1.2mC·m^-2，该值是迄今为止在常温常压下摩擦起电薄膜的最高记录，甚至高于此前计算的空气击穿阈值。使用这种I-PTFE薄膜，滑块尺寸为1cm²的TENG可以轻松点亮360个LED。这项研究为提升TENG输出性能开辟了一个全新的方向，并为全面理解物体接触起电的微观机理带来了革命性进展。作为实际应用验证，研究团队制备了多种应用于不同场景的功能性器件，其具有很高的输出性能和耐久性。研究人员预期，基于这项研究，可以在摩擦电材料的生产以及TENG的具有多样化应用方面带来一系列新的突破。相关研究成果以题为“Radical anion transfer during contact electrification and its compensation for charge loss in triboelectric nanogenerator”发表在最新一期《Matter》期刊上。

影响摩擦电电荷密度的因素

图1：影响摩擦电电荷密度的因素

I-PTFE的制备以及TENG的输出表征

图2：I-PTFE的制备以及TENG的输出性能

针对接触测试前后的FEP的表征

图3：针对接触测试前后的FEP的表征

总结和展望

  原文链接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.02.006