兰州化物所王道爱研究员团队 AFM：耐溶胀抗磨PAN/PVA-CaCl?复合膜基耐湿摩擦纳米发电机用于海水淡化

2023-10-09 来源：高分子科技

大气中的水分会加速摩擦电纳米发电机（TENG）中摩擦电荷的传输和耗散，从而大大降低了TENG的输出性能和稳定性，限制了其实际应用。为了解决这一问题，研究人员采用超疏水摩擦电材料或封装包装制备了各种耐湿TENG。然而，繁琐、复杂的疏水和包封工艺并不适合于TENG的广泛应用，也不能完全扭转TENG性能随湿度增加而下降的趋势。因此，Wang等人提出了一种基于淀粉膜的TENG，该TENG在高相对湿度下表现出更好的输出性能（Nano Energy 2020，77，105088）。考虑到淀粉膜在高湿环境下机械和摩擦学性能的不足，以及长时间与水接触容易溶解，Wang等人还设计了一种基于氢键增强的聚乙烯醇（PVA）基TENG，具有优异的电荷保持性能和耐湿性能（Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2009172）。然而，纯PVA的固有特性，如吸水速度慢和抗膨胀性差，会损害PVA膜的机械稳定性和渗透性能，而限制了PVA基TENG在高相对湿度下的实际应用。因此，提高PVA基TENG在高湿条件下的输出性能和工作稳定性仍然是一个迫切需要解决的问题。

近日，中国科学院兰州化学物理研究所王道爱研究员团队采用聚丙烯腈/聚乙烯醇-氯化钙（PAN/PVA-CaCl₂）复合薄膜，设计了一种用于海水淡化的抗膨胀耐湿高性能TENG（PPCa-TENG）。与其他制备的膜相比，PAN/PVA-CaCl₂复合膜在高湿度下具有更好的吸水速度、抗膨胀性能、机械性能和摩擦学性能。分子动力学模拟结果表明，在高相对湿度下，PAN/PVA-CaCl₂复合膜体系中形成了更多的氢键。在75%相对湿度下，PPCa-TENG的最大短路电流（I_sc）和输出电压（V_o）分别达到52.04 μA和941 V，使PVA-TENG的功率提高了约17.39倍。开尔文探针显微镜（KPFM）结果表明，PAN/PVA-CaCl₂复合膜具有较高的摩擦电正性。此外，PPCa-TENG作为一种有效、经济的电源应用于海水淡化，其能耗仅为0.19 kWh m^-3。这一数字明显低于以往工作中报道的由传统直流电源供电的海水淡化。该工作为设计高湿条件下高性能的TENG提供了一种可行、有效的方法。

图1. PAN/PVA-CaCl₂复合膜的制备与结构。

图2. PAN/PVA-CaCl₂复合膜的吸水和溶胀行为。

图3. PAN/PVA-CaCl₂复合膜的力学性能和摩擦学性能。

图4. 高相对湿度下PPCa-TENG的摩擦电性能。

图5. PPCa-TENG在海水淡化中的应用。

该工作以标题“Humidity-Resistant Triboelectric Nanogenerator Based on a Swelling-Resistant and Antiwear PAN/PVA-CaCl₂ Composite Film for Seawater Desalination”发表在Advanced Functional Materials上。该工作获得了中国科学院战略性先导科技专项B类、国家自然科学基金和山东省泰山学者特聘专家计划等的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202306702

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（责任编辑：xu）

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