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  隨著可穿戴電子設(shè)備、傳感器網(wǎng)絡(luò)及不斷擴(kuò)大的物聯(lián)網(wǎng)（IOT）的快速發(fā)展，尋找清潔、可再生能源成為現(xiàn)代社會(huì)提供動(dòng)力的重點(diǎn)。利用靜電感應(yīng)和電荷耦合作用，摩擦納米發(fā)電機(jī) （TENG）可收集日常生活環(huán)境中無處不在的機(jī)械能，具有材料可用性廣、重量輕、成本低、低頻轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，從而為清潔能源提供了新思路。由于TENG輸出能量和表面電荷密度有關(guān)，很多關(guān)于提高表面電荷密度的方法已被廣泛報(bào)道，例如增大有效接觸面積、人工離子注入等。然而，從材料角度出發(fā)進(jìn)一步改善TENG 的輸出性能，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求是當(dāng)前亟待解決的關(guān)鍵問題。在摩擦層與電極間嵌入中間介質(zhì)層是優(yōu)化摩擦材料電荷存儲(chǔ)、抑制電荷衰減的有效策略之一。然而，對(duì)這一領(lǐng)域的研究依然有限，其工作機(jī)理、介質(zhì)層材料性質(zhì)以及其是否具有普適性仍不得而知。

  為深入分析中間介質(zhì)層的工作機(jī)理和對(duì)TENG性能的影響，東華大學(xué)俞昊教授團(tuán)隊(duì)在摩擦層與電極間嵌入不同的介質(zhì)層，包括聚酰亞胺(PI)、聚丙烯(PP)、尼龍(PA) 、聚乙烯(PE)、聚四氟乙烯(PTFE)、硅橡膠(Silicone rubber)和聚甲醛(POM)等材料，實(shí)驗(yàn)表明不同中間介質(zhì)層對(duì)TENG輸出性能的提高程度是不同的，其中添加PI介質(zhì)層時(shí)輸出電壓達(dá)到最大1200 V, 與無介質(zhì)層結(jié)構(gòu)相比提高了380 %。由于中間介質(zhì)層的加入改變了上層摩擦材料的電荷捕獲和存儲(chǔ)性能，為了解電荷捕獲如何影響TENG器件的輸出性能，該團(tuán)隊(duì)采用等溫表面電位衰減(ISPD)模型計(jì)算了各介質(zhì)層的電荷陷阱分布特性。每個(gè)介質(zhì)層表現(xiàn)出不同的初始表面電勢(shì)和表面電勢(shì)衰減特性，其中PI層的初始表面電勢(shì)最大（絕對(duì)值，下同），衰減速率最慢，而POM層的初始負(fù)表面勢(shì)最小，衰減速率最快，這些特性與相應(yīng)TENG的輸出性能一致。因此為中間介質(zhì)層TENG如何提高輸出性能提供了理論基礎(chǔ)。

圖1 (a)含有介質(zhì)層TENG的工作原理。（b）不同介質(zhì)層PI, PP, PA, PE, PTFE,POM 和硅橡膠下TENG的電壓輸出。（c）計(jì)算了不同介質(zhì)層的總電荷阱陷阱能量分布。

  此外，該團(tuán)隊(duì)證明了當(dāng)在摩擦材料下加入介質(zhì)層時(shí)，增強(qiáng)的TENG輸出與摩擦層材料的體積導(dǎo)電率有關(guān)，而與摩擦材料的電負(fù)性或表面結(jié)構(gòu)無關(guān)。當(dāng)PI作為介質(zhì)層分別添加到PTFE(電負(fù)性)和TPU (電正性)之下時(shí)，TENG的輸出均有顯著的提高；而添加不同含量的MWCNTs調(diào)控TPU體積電導(dǎo)率，TENG的輸出隨著體積電導(dǎo)率的提高先增加后減少，因此，摩擦材料的體積電導(dǎo)率顯著影響電荷存儲(chǔ)的深度和TENG輸出性能提高的程度。這就為利用陷阱分布理論與電導(dǎo)率協(xié)同制備高性能的中間層增強(qiáng)的TENG提供了更優(yōu)化的設(shè)計(jì)策略。最后，研究團(tuán)隊(duì)將最優(yōu)的TENG制作為智能鞋底，應(yīng)用于老年人或病人的緊急跌倒監(jiān)測(cè)警報(bào)系統(tǒng)，探索了其在可穿戴及智能家居領(lǐng)域的應(yīng)用。

圖2（a）TPU-PTFE, TPU-PTFE@PI, TPU@PI-PTFE, TPU@PI-PTFE@PI的電壓輸出。（b）TPU@PI-PTFE@PI的長(zhǎng)時(shí)間電壓性能。(c) 不同MWCNT含量的TPU薄膜在含有PI介質(zhì)層和無PI介質(zhì)層的電壓輸出。（d）紅線為添加PI的TPU和不添加PI的TPU的輸出電壓提高百分比，藍(lán)線為不同MWCNT用量下TPU/MWCNTs的體積電導(dǎo)率。

圖3  TENG智能鞋可以作為一種可穿戴設(shè)備，用于遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)行走狀態(tài)，也可以作為一個(gè)遠(yuǎn)程緊急呼叫微系統(tǒng)，用于摔倒檢測(cè)。

  以上研究成果發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces上。論文的第一作者為東華大學(xué)材料學(xué)院博士生呂莎莎，通訊作者為俞昊教授和黃濤博士。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsami.0c18243