重庆大学胡陈果教授《Nano Energy》: 高湿环境中水分子诱导介电聚合物的自极化效应增强TENG的输出电荷密度

2022-10-21 来源：高分子科技

空气中广泛存在的水分子导致摩擦纳米发电机（TENGs）的表面电荷迅速衰减，致使低的输出电能。为了提高TENGs在高湿环境下的表面电荷密度，研究人员选择具有渗透性或超疏水功能的材料，抑制水分子在介电聚合物表面的吸附，从而减弱表面电荷耗散，或者选择具有吸湿功能的材料，如凝胶材料、纤维素等，水分子可以有效地固定在介电聚合物表面，参与摩擦起电过程。然而，这些方法仍然受到材料带电特性的限制，材料输出表面电荷密度相对较低。

鉴于以上问题，近日，来自重庆大学胡陈果教授团队提出了一种利用水分子诱导介电聚合物的自极化效应来增强TENG的输出电荷密度的新策略。相关成果以标题为“Enhancement of output charge density of TENG in high humidity by water molecules induced self-polarization effect on dielectric polymers”发表在《Nano Energy》。重庆大学物理学院博士研究生王建为论文的第一作者。该研究得到了国家自然科学基金（5207037、U21A20147）的资助。

该研究团队提出了一种基于介电聚合物自极化效应的电荷激励TENG(SP-CE-TENG)，系统研究了具有不同强极性基团的极性材料的自极化效应和高湿环境对自极化效应的增强机理。首次发现除铁电材料外，具有强极性基团的PU和PAN具有自极化效应，实现了输出电荷的自增加。更重要的是，在强电场下，研究发现水分子中的-OH基团与电介质中的电负性基团(-N，-F等)之间形成氢键，氢键独特的强极化特性进一步促进了电介质材料的自极化过程。

基于上述机理，在40% 湿度条件下，以P(VDF-TrFE)膜为摩擦层的SP-CE-TENG有效输出电荷密度达到2.88 mC m^-2，在90%湿度条件下输出电荷密度始终保持在1.92 mC m^-2以上，是高湿环境下的最高输出电荷密度。本研究利用高湿环境增强的自极化效应实现了高输出电荷密度，为恶劣环境下高性能TENGs的设计提供了一种有效的方法，也为高湿环境下分子的极化行为研究提供了新的研究思路。