近日，韓國科學(xué)技術(shù)院（KAIST）的Jin-Baek Kim和韓國中央大學(xué)（Chung-Ang University）的Sangmin Lee等科學(xué)家，從TENG材料選擇和表面微納形貌構(gòu)筑兩方面入手構(gòu)筑了高效的摩擦納米發(fā)電機。研究團隊選用了含氟甲基丙烯酸酯聚合物（poly(1H,1H,2H,2H-perfluorodecyl methacrylate)，PFDMA）為摩擦材料，采用轉(zhuǎn)移印刷（transfer printing）技術(shù)構(gòu)筑PFDMA表面規(guī)整超疏水微納形貌，同時保持了圖案化PFDMA構(gòu)件較高的透明性和可轉(zhuǎn)移性。
PFDMA表面微納形貌構(gòu)筑和TENG結(jié)構(gòu)示意圖
研究團隊對PFDMA-TENG的摩擦發(fā)電輸出性能進行了系統(tǒng)測試。結(jié)果表明，PFDMA-TENG器件其開路電壓（VOC）、閉路電流（ICC）隨著PFDMA表面微米棒陣列的高度增加呈現(xiàn)增大趨勢，最優(yōu)輸出電壓和輸出電流分別為68 V和6.68 μA。輸出功率依賴于外加負(fù)載電阻，當(dāng)負(fù)載電阻為500 MΩ，輸出功率達到150 μW。該結(jié)果表明PFDMA能夠?qū)崿F(xiàn)表面電荷密度和表面形貌的簡便調(diào)節(jié)，是構(gòu)筑具有高效摩擦生電輸出效率TENG器件的優(yōu)異材料。
PFDMA-TENG的摩擦發(fā)電輸出性能測試
此外，基于含氟聚合物的低表面能特性，PFDMA展現(xiàn)出優(yōu)異的疏水性能。其平面結(jié)構(gòu)PFDMA水接觸角為117.7°，而隨著表面微納結(jié)構(gòu)陣列的引入及陣列高度的增加其疏水性逐步增加。當(dāng)微米棒陣列高度達到20 μm時，PFDMA表面達到超疏水狀態(tài)（水接觸角155.0°）。
TENG表面的潤濕性能對于液-固接觸應(yīng)用模式下器件的電學(xué)性能有著重要影響。因此，研究團隊進一步對PFDMA-TENG液-固接觸模式下的應(yīng)用性能進行了考察。水流速度1.25 ml/s條件下，表面無微納結(jié)構(gòu)PFDMA-TENG幾乎無輸出電壓，且電壓較低；微陣列高度為5 μm、10 μm的PFDMA-TENGs輸出電壓由于其表面疏水性不充分，導(dǎo)致輸出電壓較高，但不規(guī)律；而微陣列高度為20 μm時，其表面的超疏水特性保證了其高輸出電壓（4V）的穩(wěn)定性。
液-固接觸模式下PFDMA-TENG性能測試
該研究通過應(yīng)用新型含氟材料并結(jié)合材料表面微納形貌的簡便可控構(gòu)筑，制備了具有高效輸出效率的摩擦納米發(fā)電機PFDMA-TENG。同時，基于PFDMA-TENG的高透明性，以及隨著PFDMA表面粗糙度的增加其疏水性和PFDMA-TENG輸出電壓同步提升的特點，該器件有望進一步結(jié)合太陽能電池、人造樹葉等構(gòu)筑復(fù)合能量收集系統(tǒng)。
論文鏈接：http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285517302100
