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  作為一種革命性的能量收集技術(shù)，摩擦電納米發(fā)電機(jī)（Triboelectric Nanogenerator，簡稱TENG）不僅提供了一種可持續(xù)、分布式能源供給技術(shù)，而且構(gòu)建了無需外部電源的自供電系統(tǒng)，具有成本低、質(zhì)量輕、材料選擇廣、低頻下轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)勢。然而，高濕環(huán)境中水分子形成的導(dǎo)電通路引起的表面電荷耗散，顯著降低TENG的輸出性能，從而影響其能量收集和長期穩(wěn)定運(yùn)行。課題組前期通過電荷快速積累技術(shù)(Advanced Energy Materials, 2021, 2100050)及雙電容增強(qiáng)技術(shù)(Advanced Energy Materials, 2021, 2101958)，已顯著提升TENG高濕環(huán)境下輸出性能。但環(huán)境濕度對TENG表面電荷的影響機(jī)制尚不清楚。因此，需要一種有效的策略來提高TENG在高濕環(huán)境下的輸出性能，并進(jìn)一步研究高濕環(huán)境下表面電荷的衰減機(jī)理。

  近日，中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王杰研究員與王中林院士領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊提出通過介電材料選擇和表面電荷工程，提出了一種新型抗高濕度TENG。以接觸-分離模式TENG為測量工具，系統(tǒng)地研究了相對濕度對常用介電材料表面電荷衰減的影響。結(jié)果表明，介電材料表面剩余電荷量隨介電材料疏水性的增加而增加，高濕環(huán)境下更為明顯。此外，表面電荷的衰減與電荷種類有關(guān)，濕度條件下離子電荷比電子電荷更穩(wěn)定。通過耦合高疏水介電材料聚四氟乙烯和離子注入法，TENG在90%相對濕度的極端環(huán)境下連續(xù)運(yùn)行50000次，仍保持了高達(dá)91%的輸出性能。本工作的提出不僅為抗高濕度TENG的設(shè)計提供了一種范例，而且在不同環(huán)境條件和海洋能源采集等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖1. 高濕環(huán)境下電荷衰減。（a）濕度環(huán)境下表面電荷耗散示意圖。（b）通過表面電荷工程在介電材料表面引入負(fù)電荷示意圖。（c）常用介電材料在90%濕度下連續(xù)運(yùn)行4500次前后的表面剩余電荷。基于離子注入聚四氟乙烯薄膜的TENG在90%濕度下連續(xù)運(yùn)行4500次前后的（d）電荷密度、（e）電流密度和（f）開路電壓。

圖2. 濕度和溫度對不同介電材料表面電荷衰減的影響。不同相對濕度條件下（a）聚酰亞胺薄膜、（b）聚氯乙烯薄膜、（c）全氟乙烯丙烯共聚物薄膜、（d）聚四氟乙烯薄膜表面電荷密度。（e）濕度環(huán)境下表面剩余電荷與介質(zhì)材料接觸角之間的關(guān)系。（f）聚酰亞胺薄膜、（g）聚氯乙烯薄膜、（h）全氟乙烯丙烯共聚物薄膜、（i）聚四氟乙烯薄膜在各種環(huán)境條件下的性能比較。

圖3. 電荷種類對聚四氟乙烯薄膜表面電荷穩(wěn)定性的影響。（a）聚四氟乙烯表面通過離子注入和調(diào)制法引入的負(fù)電荷在不同濕度條件下的密度和表面剩余電荷。通過離子注入和調(diào)制法在聚四氟乙烯表面引入的電荷在（b）328K和（c）358K溫度環(huán)境下的衰減。（d）離子電荷和（e）電子電荷在濕度環(huán)境下耗散示意圖。

圖4. 耦合疏水介電材料與離子注入的TENG在高濕度下的應(yīng)用。（a）高濕度測量系統(tǒng)示意圖。（b）自供電系統(tǒng)驅(qū)動電子器件的等效電路圖。（c）通過離子注入和調(diào)制法在聚四氟乙烯表面引入電荷的TENG充電容曲線對比。（d）基于離子注入聚四氟乙烯薄膜的TENG驅(qū)動電子表的圖片。通過（e）離子注入和（f）調(diào)制法在聚四氟乙烯表面引入電荷的TENG驅(qū)動電子表的充電曲線。（g）通過離子注入在聚四氟乙烯表面引入電荷的TENG在90%濕度下穩(wěn)定性測試。

圖5. 耦合疏水介電材料與離子注入的TENG在模擬海洋環(huán)境中的應(yīng)用。（a）水箱測試系統(tǒng)圖（比例尺尺寸：10cm）。（b）TENG點亮77個發(fā)光二極管的圖片（比例尺尺寸：10cm）。（c）TENG給不同電容器充電的電壓曲線。通過離子注入和調(diào)制法在聚四氟乙烯表面引入電荷的TENG的（d）轉(zhuǎn)移電荷、（e）短路電流和（f）開路電壓。

  以上工作以“A high humidity-resistive triboelectric nanogenerator via coupling of dielectric material selection and surface-charge engineering”為題發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A期刊上。論文第一作者為中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所博士研究生劉璐、助理研究員周靈琳、博士研究生張楚國，通訊作者為中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王杰研究員與王中林院士。

  論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ta/d1ta05694h