北航陈华伟课题组 Nano Energy：PTFE微粒增效的高拉伸摩擦纳米发电机用于液滴能量收集

2023-11-01 来源：高分子科技

近日，北京航空航天大学机械学院陈华伟课题组在《Nano Energy》上发表了用于液滴能量收集的柔性摩擦纳米发电机（TENG）新进展，论文题目为“Highly stretchable PTFE particle enhanced triboelectric nanogenerator for droplet energy harvesting”，陈华伟教授、张力文讲师为通讯作者，博士生杨昌君为第一作者。

液-固摩擦纳米发电机可广泛应用于自然界液滴能量的收集。摩擦层表面的疏水处理可以提高液滴与摩擦层的接触分离效率，对于提高TENG的发电量至关重要。然而，当前研究报道的TENG的电输出性能需进一步提升从而满足柔性电子器件的需求；且传统方法（如倒模法、喷涂法、氟化处理及静电纺丝法等）制备的疏水摩擦层机械及耐久性能较差，极大地限制了TENG在柔性电子邻域中的应用。

基于上述问题，该研究提出了一种新型的可拉伸疏水性摩擦纳米发电机（SH-TENG），它在收集液滴能量方面具有优异的电学性能和机械性能。聚四氟乙烯（PTFE）微粒具有优异的疏水性和电负性，Ecoflex00-30硅胶具有出色的机械性能，因此被选取为摩擦材料。电极材料选用具有高导电性和形变适应性的液态金属（LM）。通过开发一种全新的摩擦层制备工艺，保证在极度拉伸或磨损的情况下，PTFE微粒也能牢固地粘结在柔性基底上，从而确保SH-TENG的输出性能。PTFE的疏水性提高了液滴与摩擦层之间的接触分离效率，而其优异的电负性则增强了液滴与摩擦层之间的电荷转移。与未经改性的TENG相比，PTFE微粒大大提高了SH-TENG的电输出性能。且所制备的SH-TENG样品即使在大拉伸形变或机械磨损的情况下也能正常工作。在应用实验中，SH-TENG可为微型手表实时提供充足的电能，进一步证实了所提出的SH-TENG可与多种物体集成，用以收集液滴能量并为低功耗电子设备供电。

图1 （a）SH-TENG的制备工艺和（b）工作机理

在制备流程中，将液态金属吸附在具有表面微结构的柔性基底上用以制备柔性电极。以硅胶对电极进行封装并制备摩擦层，使其进行预固化后将PTFE微粒沉降至其表面；在其完全固化后，半嵌入式的PTFE微粒粘结在摩擦层表面，形成表面疏水性摩擦层。

图2 SH-TENG的图像及表征

以上述工艺制备的SH-TENG样品使PTFE微粒稳定的粘合在摩擦层表面，PTFE微粒可有效提升摩擦层的接触角，其可在SH-TENG收集液滴能量时提升液滴与摩擦层之间的接触-分离效率，进而提升SH-TENG的输出性能。同时，该研究提出的SH-TENG具备了优异的拉伸性能。

图3 基于不同摩擦层的TENG输出性能对比

进一步选取了SiO₂微粒（疏水材料），PA6微粒（亲水材料）作为摩擦层表面修饰材料；分析了液滴在不同摩擦层表面的运动状态，对比了基于不同摩擦层的TENG输出性能。结果显示，在PTFE微粒对摩擦层疏水性及电负性的协同增效下，输出性能展现最优，开路电压（V_OC）与短路电流（I_SC）高于未经表面修饰的6倍以上，体现了所选材料和制备工艺的合理性。

图4 SH-TENG输出性能表征

SH-TNEG的V_OC和I_SC与液滴体积呈正相关，当液滴体积为29.3 μL时，其电荷转移密度为~4.74 × 10^-3 C/m²·L。得益于独特的制备工艺，即使在极大拉伸状态（500%）或机械磨损的情况下，PTFE微粒仍能牢固地粘结在摩擦层表面，相应的，SH-TENG的输出性能衰减小于20%，证明了所提出的SH-TNEG具备优异的电学性能和力学性能。

图5 SH-TENG应用展示

凭借出色的功率密度，可拉伸性及耐用性，SH-TENG可与多种物体进行集成，收集雨滴能量为可穿戴设备等低功耗器件供电。在50 mL/min的模拟雨滴流速下，总面积为0.016 m²的SH-TENG样品可为微型手表提供充足的电能。

该研究提出了一种可拉伸疏水性的TENG，面向收集多种情况下的液滴能量。由于PTFE具有优异的疏水性和负电性，因此被用作摩擦层的改性材料。介绍了一种制备可拉伸疏水性摩擦层的新型工艺，从而有效解决了传统固液式TENG机械性能差的问题。对比了不同微粒修饰下TENG样品的输出性能，结果表明经PTFE微粒改性的SH-TENG的V_OC和I_SC分别高于未改性的7倍和6倍，电荷转移密度为4.74 × 10³ C/m²?L。即使在拉伸率为500%或机械磨损的情况下，SH-TENG的输出衰减也小于20%。应用实验表明SH-TENG样品能在模拟雨天环境下为微型手表提供足够的电能。综上，该研究提出的SH-TENG具有出色的输出性能和耐久性能，可与多物体集成用以收集液滴能量并为电子设备供电。
该研究得到国家自然科学基金（Nos. 51935001 & 51725501）、国家重点研发计划（No. 2019YFB1309702）等项目资助。

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

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.109000

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（责任编辑：xu）

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