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
- 臭氧评价发光聚合物的耐老化性 - 南邮解令海教授课题组 CEJ:具有优异臭氧耐受能力的侧链芘封装发光聚合物与大面积柔性深蓝光 2024-11-05
- 武汉理工杨全岭教授团队 CRPS: 作为厘米波贴片天线一次性衬底使用的柔性低介电常数纸 2024-11-04
- 华南理工严玉蓉/张睿/邱志明 CEJ:生物基聚酰亚胺用于柔性传感器的最新进展 2024-11-03
- 浙理工张兆发/田伟 AFM:适用于多场景的可多维度集成式可穿戴纱线传感器 2024-11-06
- 太原理工张虎林教授 Small:热电水凝胶用于机器学习辅助的自供电可穿戴材料识别 2024-11-04
- 加州理工学院高伟教授团队 Chem. Rev. 综述: 可穿戴和植入式软体机器人 2024-10-15
- 电子科大文岐业教授团队、肖旭研究员团队 Nat. Commun.:基于离子电导损耗的透明太赫兹宽带吸波材料 2024-01-07