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  納米摩擦發(fā)電作為新興的納米能源技術(shù)，被用于機(jī)械能-電能的轉(zhuǎn)換收集。通常，納米摩擦發(fā)電機(jī)（TENGs）在常溫環(huán)境下進(jìn)行應(yīng)用，而在一些極端條件下，例如在火電領(lǐng)域和航空航天領(lǐng)域的高溫環(huán)境服役，TENGs的應(yīng)用仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。TENGs由正極和負(fù)極摩擦材料組成，前者包括金屬，碳和聚合物等，其中一些可以滿足耐火阻燃和熱穩(wěn)定性的要求，而后者主要是聚合物材料，阻礙了TENGs在極端條件下的使用。例如，聚四氟乙烯（PTFE）作為最廣泛使用的摩擦負(fù)電材料，在400℃以上或遇火時(shí)會(huì)產(chǎn)生劇毒物質(zhì)。另一種常用的摩擦負(fù)電材料，聚二甲基硅氧烷（PDMS），它的使用溫度低于200 ℃。因此，制備具有高溫穩(wěn)定性和阻燃性的摩擦負(fù)電材料對于TENGs在極端條件下的應(yīng)用十分重要。

  近期，中國科學(xué)院化學(xué)研究所高分子物理與化學(xué)實(shí)驗(yàn)室趙寧研究員和徐堅(jiān)研究員課題組以聚對苯撐苯并二噁唑氣凝膠（PBOA）作為摩擦負(fù)電材料用于組裝納米摩擦發(fā)電機(jī)。由于氣凝膠的大孔隙率和高比表面積（圖1），所得TENGs的開路電壓（V_OC），短路電流密度（J_SC）和電荷密度分別為40 V，2.9 mA m^-2和72 μC m^-2。不具有孔結(jié)構(gòu)和表面微結(jié)構(gòu)的PBO膜所能產(chǎn)生的電荷密度有限，因而輸出電流和電壓遠(yuǎn)不及PBOA（圖2）。所以高比表面積和高孔隙率有助于靜電電荷的產(chǎn)生和儲(chǔ)存，從而提高TENG的輸出性能。

圖1. PBOA膜（a）的實(shí)物照片和（b, c）SEM照片。

圖2.（a, b）PBO膜的SEM照片；PBOA膜和PBO膜組裝TENG的（c）開路電壓和（d）短路電流密度；（e）PBOA膜和（f）PBO膜組裝TENG的摩擦發(fā)電機(jī)制。

  為了進(jìn)一步證明PBOA在高溫條件下的潛在應(yīng)用，將其與鋁箔配對以制備高溫用PBOA/Al TENG（圖3）。在350 ℃的高溫下，PBOA/Al TENG仍然可以表現(xiàn)出32 V的V_OC，1.2 mA m^-2的J_SC和32 μC m^-2的電荷密度。該裝置可以點(diǎn)亮36個(gè)LED燈泡，并在250秒內(nèi)將電容器充電至10 V（圖4）。該裝置同時(shí)還可用作自供電，高靈敏度傳感器，用于監(jiān)測人體運(yùn)動(dòng)甚至輕微碰撞，脈沖僅為3μN(yùn)s（圖5）。

圖3.（a）PBOA/Al TENG的示意圖。（b）在不同溫度下進(jìn)行的PBOA/Al TENG的開路電壓和（c）電流密度。

圖4.（a）TENG、整流橋和LED燈的電路示意圖。（b）TENGs工作點(diǎn)亮LED燈。（c）TENGs為電容器充電。

圖5. （a）粘接TENG的手指處于伸直和彎曲狀態(tài)。（b）手指伸直和彎曲時(shí)產(chǎn)生的電流脈沖信號(hào)。（c）5 μL水滴自由下落至TENG上表面，（d）并產(chǎn)生電信號(hào)。

  由PBOA組裝納米摩擦發(fā)電機(jī)表現(xiàn)在火電領(lǐng)域和航空航天等高溫服役環(huán)境中具有潛在應(yīng)用。相關(guān)研究成果發(fā)表在Nano Energy上。

  論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221128551930607X