摩擦伏特效应是半导体界面摩擦产生直流电的现象，摩擦形成新的化学键，释放出被称为 “bindington”的能量，激发半导体界面上的电子-空穴对发生跃迁，从而在内建电场或界面电场的作用下产生直流电。摩擦伏特纳米发电机（TVNG）相比于传统基于绝缘体聚合物的摩擦纳米发电机（TENG），具有高电流密度、低内阻和高功率密度的特点，且不需要经过复杂的电源管理就可以为低功耗电子设备供电，在自供电系统领域展现出了巨大的潜力，目前基于Si、GaN、Bi2Te3等无机半导体TVNG在电学输出上已经取得了突破性的进展，其在厘米级尺寸上可以实现100 V以上的电压输出及为智能电子设备供电。然而刚性的无机半导体材料并不适合可穿戴柔性电子器件的集成与应用。为了开发柔性半导体TVNG，研究人员将PEDOT:PSS、PPy及PAN等有机半导体集成到柔性薄膜和纤维织物上，展现了较好的柔韧性和直流输出特性。其中织物基TVNG由于具有优异的柔韧性，人体可穿戴性，是目前柔性半导体TVNG发展的重点。
图1 氢键活化织物基超高电流密度摩擦伏特纳米发电机
近期，中国科学院北京纳米能源与系统研究所张弛研究员团队报道了由氢键（HBs）活化的超高电流密度摩擦伏特发电织物（FO-TTG）。这是团队报道的PVA增强PEDOT:PSS摩擦伏特性能和机械性能基础上进一步的研究成果（Nano Energy, 2023, 106, 108075）。在本项工作中，与未激活的性能相比，在摩擦界面上引入 95%乙醇形成氢键激活的FO-TTG产生的电流密度和峰值功率密度是8.75 A/m2和1074.5mW/m2，分别提高了438倍和170倍（图2）。此外，在厘米级尺寸，这一电流密度比目前报道的无机 TVNG的电流密度纪录大 3.43 倍以上。研究人员应用了不同浓度的乙醇溶液、DMSO等作为激活溶剂，发现95%乙醇溶液是最佳选择，其激活效果明显优于其他溶剂，添加 95%的乙醇溶液不会损害复合薄膜的结构完整性，并保持其机械耐磨性。此外，研究者发现FO-TTG在界面引入95%乙醇后，其功率密度和本征内阻得到了优化，对大电容的充电能力显著提升。在不同滑动速度和压强下，FO-TTG的电流密度和开路电压均表现出正相关性，进一步证明了其在不同工作条件下的稳定性和高效性（图3）。
图2 柔性有机纺织摩擦伏特发电机（FO-TTG）的基本结构和组成
图3 FO-TTG的输出性能表征
研究人员研究了其工作机制，摩擦界面滴加的溶剂能够通过与 PSS-形成氢键来屏蔽 PEDOT+和 PSS-之间的离子键合作用，释放出更多的活性 PEDOT+，掺杂剂聚乙烯醇 （PVA）被溶剂溶解时能进一步暴露出更多的 PEDOT:PSS，导致活性成分PEDOT+进一步被释放（图4）。FO-TTG的高输出电流能力使其在实际应用中展现出巨大应用潜力。通过简单的串联或并联，FO-TTG能够直接为电子表、温湿度计、蓝牙无线传输报警系统等低功耗电子设备供电。对于日常使用频率最高的手机，FO-TTG也能为其充电。此外，得益于其超高的输出电流密度，六个并联的FO-TTG在低频机械能输入下，能直接为2 F的大电容充电，10min储存的电能可驱动小型电机运行20 s，这在传统TENG中是难以实现的应用范例（图5）。这些应用不仅展示了FO-TTG的高输出能力，也为深入理解摩擦伏特效应机理、有机半导体器件性能调控、结构设计等方面奠定了基础，为摩擦伏特效应的基础研究和应用开辟了新的思路，具有重要的科学意义和应用价值。
图4 FO-TTG的工作机理分析
图5 六个串联或并联FO-TTG应用举例
相关研究以“Ultrahigh Current Density Tribovoltaic Nanogenerators Based on Hydrogen Bond-Activated Flexible Organic Semiconductor Textile”为题发表在ACS Nano期刊上（Doi：10.1021/acsnano.4c11010）。文章第一作者是北京纳米能源与系统研究所助理研究员刘国旭博士。该工作得到了国家自然科学基金原创探索计划项目延续资助的支持（52450006）。
原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c11010
