摩擦纳米发电机(TENG)是一种高效、可持续的能源转化系统,由于其自供电特性,吸引了广大研究者的目光。与传统能源相比,灵活轻便的TENG器件在新一代可穿戴应用中显示出巨大的潜力,可作为自供电传感器和医疗保健系统的电源。在大多数研究中,通常使用塑料来获得更高的输出电压,如聚偏二氟乙烯(PVDF)和聚四氟乙烯(PTFE)。然而,这些材料缺乏柔性,限制了TENG在可穿戴自供电场景中的应用。在各种材料中,具有高弹性的橡胶与皮肤具有良好的接触效果,有利于提高穿戴过程中的舒适性。目前,通过调节材料表面的电荷密度是提高TENG输出电压的主要方式之一。例如,向聚二甲基硅氧烷(PDMS)中加入TiO2,在摩擦层与导电层之间插入电荷阻挡层,从而提高表面的电荷密度。不幸的是,大多数商用橡胶是非极性的,即使在物理和化学改性后也无法获得令人满意的输出电压。因此,开发具有高摩擦电性能和高机械性能的柔性 TENG仍然具有重大挑战。
近日,广西大学徐传辉教授课题组通过机械搅拌,将具有极性官能团的天然聚合物羧甲基壳聚糖(CMCS)和高介电常数的纳米钛酸钡(BT)均匀分散在羧基丁苯橡胶(XSBR)中,实现了橡胶摩擦电荷密度的调控。所制备的XCB-TENG具有310 V的高输出电压和6.14 W·m-2的功率密度。此外,薄膜的拉伸强度和杨氏模量分别达到了4.38 MPa 和 10.69 MPa。该成果以题为“Flexible, Wearable Triboelectric Rubber with Tunable Surface Charge Density Enabled by Regulation of Surface Functional Group density and Permittivity” 发表在《Chemical Engineering Journal》上, 2023级硕士研究生卢俊洁为第一作者,付丽华副教授和徐传辉教授为通讯作者。
1.复合材料的设计
图1 XCB-TENG 制备示意图
2. 复合材料的机械性能
图2 a) 典型的应力-应变曲线,b) 不同CMCS含量的XSBR和XSBR/CMCS的机械性能; c)典型的应力-应变曲线, d) 不同 BT 含量的 XSBR/BT 的机械性能; e) 典型的应力-应变曲线,f) 不同BT含量的XSBR/30CMCS/BT的机械性能。
3. XCB-TENG的摩擦电输出性能
图3 a) CMCS 的结构式及其用 DFT 计算的静电势图; 不同 CMCS 含量的 XSBR/CMCS 的b) 输出电压和c) 电荷转移的比较; d)“Wang” 理论模型; e) 相对介电常数与电的关系电场作用下材料内部的极化; e) 不同BT含量的XSBR/BT的输出电压和f) 电荷转移的比较。
随着 BT 含量的增加,输出电压和转移的电荷量逐渐增加。值得注意的是,XSBR/6BT 薄膜显示出 198 V 输出和 65 nC 电荷转移,这证实了 BT 在薄膜摩擦电性能中的积极作用。此外,在 TENG 中,BT 同时发挥着电子阻挡层和极化增强剂的关键作用。然后,将BT引入 XSBR/30CMCS 体系中,并表征介电常数。CMCS 和 BT 之间的相互作用力促进了 BT 在 XSBR 中的分散,增加了材料中异质结的数量,从而显着提高了材料的介电常数。XSBR/30CMCS/5BT 薄膜的介电常数最大为 51 F·m-1,比纯 XSBR 高约 11 倍。薄膜的高介电常数在摩擦电层诱导大量的介电极化,从而促进对电极处的有效电荷感应。在 XSBR/30CMCS/5BT 中,摩擦电输出电压和转移的电荷分别达到 310 V 和 106 nC。最终,由于极性官能团的数量增加和相对介电常数的提高,XSBR/30CMCS/5BT 薄膜的摩擦电性能(输出电压和电荷转移)相比于纯的XSBR,提高了大约180%。
图4 a) TENG 内 BT 的电子阻挡和增强极化的工作机制; b) 介电常数; c) 不同 BT 含量的 XSBR/30CMCS/BT 的输出电压和d) 电荷转移的比较; e) 不同摩擦电材料的 COMSOL 仿真结果。
4. XCB-TENG的应用
图5 对a) 手指、b) 手腕、c) 手臂、d) 不同步态的实时电压响应测试; XCB-TENG 示意图用于检测e) 各种人类行为和 f) 车辆驾驶条件; 对车辆的 g) 慢速、h) 中速和 i) 快速的实时电压响应。
原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.155315
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