天津工业大学刘雍教授团队 Nano Energy：在高湿环境甚至水环境中实现能量转换的防水摩擦纳米发电机(TENG)

2022-06-21 来源：高分子科技

高湿环境会显著降低摩擦纳米发电机(TENGs)的能量转换性能，使其产生的电荷发生耗散，导致电荷转移性能下降。具有防水、耐湿性能的TENG可实现高湿环境甚至是水环境中的机电转换。然而，对TENG进行简单的封装不可避免地导致器件电输出性能降低。因此，制备可以依靠自身结构使封装器件内部产生接触分离的防水TENG能够在水中实现高效地能量转换，是提高TENG工作环境的适应性、增强输出性能的有效解决方案。

近日，天津工业大学纺织科学与工程学院刘雍教授课题组，在国际著名期刊《Nano Energy》（影响因子为17.881）报道了题为“3D micro-nanostructure based waterproof triboelectric nanogenerator as an outdoor adventure power source”的文章。文中对所制备的防水TENG在高湿环境甚至水环境中的能量转换性能进行了详细介绍。该研究极大地提高了TENG工作环境的适应性，拓宽了TENG的应用范围，在户外探险和蓝色能量收集领域显示出巨大的潜力。

近年来，TENGs在为可穿戴电子设备供电方面引起了广泛关注。然而，在高湿度环境下，TENGs的电输出性能受到严重影响，这极大地限制了其在户外活动中的实际应用。由于产生的载流子减少，湿度被认为是限制TENG输出电能的主要因素。当TENGs暴露在潮湿环境中时，摩擦电材料产生的电荷会消散，导致电荷转移性能下降。虽然通过材料改性和结构设计等多种方式提高了TENGs的耐湿性，但要做到真正的防水仍然是一个巨大挑战。

在这项工作中，使用ZnO/PAN纳米纤维膜和具有高表面粗糙度的3D PDMS膜封装了一个防水的TENG，用于在水环境中收集能量。首先，ZnO NRs的生长不仅提高了纳米纤维膜的表面粗糙度，而且提高了纳米纤维膜的摩擦电正性，有利于提高防水TENG的能量转换效率。在3D表面上，除了增强TENG的性能外，还能发挥作用自支撑作用，实现装置内部触点分离，实现水中能量转换。该防水TENG的最大功率密度为184.6 μW/cm²。在2 Hz频率、30 N的冲击力下，能产生约166 V和37 μA的输出电压和电流。在经历12,000 多次循环后，3D PDMS-ZnO/PAN TENG 的输出信号仍然可以保持稳定的电输出而且几乎不会产生明显的变化。此外，TENG在相对高湿度高达92%表现出优异的电气输出性能，而且它能够在水中实现机械能到电能的转换。此外，该研究还证实了所制备的TENG能够将水滴和水流产生的能量转化为电能，为电子设备供电，这在蓝色能源收集方面显示了巨大的潜力。

论文第一作者为天津工业大学纺织科学与工程学院博士生孙悦，通讯作者为美国阿肯色大学费耶特维尔分校寿万博士和天津工业大学纺织科学与工程学院刘雍教授。

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107506

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（责任编辑：xu）

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