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天津工業(yè)大學(xué)劉雍教授團(tuán)隊(duì) Nano Energy：在高濕環(huán)境甚至水環(huán)境中實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的防水摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)
2022-06-21  來源：高分子科技

  高濕環(huán)境會(huì)顯著降低摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENGs)的能量轉(zhuǎn)換性能，使其產(chǎn)生的電荷發(fā)生耗散，導(dǎo)致電荷轉(zhuǎn)移性能下降。具有防水、耐濕性能的TENG可實(shí)現(xiàn)高濕環(huán)境甚至是水環(huán)境中的機(jī)電轉(zhuǎn)換。然而，對(duì)TENG進(jìn)行簡單的封裝不可避免地導(dǎo)致器件電輸出性能降低。因此，制備可以依靠自身結(jié)構(gòu)使封裝器件內(nèi)部產(chǎn)生接觸分離的防水TENG能夠在水中實(shí)現(xiàn)高效地能量轉(zhuǎn)換，是提高TENG工作環(huán)境的適應(yīng)性、增強(qiáng)輸出性能的有效解決方案。


  近日，天津工業(yè)大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院劉雍教授課題組，在國際著名期刊《Nano Energy》（影響因子為17.881）報(bào)道了題為“3D micro-nanostructure based waterproof triboelectric nanogenerator as an outdoor adventure power source”的文章。文中對(duì)所制備的防水TENG在高濕環(huán)境甚至水環(huán)境中的能量轉(zhuǎn)換性能進(jìn)行了詳細(xì)介紹。該研究極大地提高了TENG工作環(huán)境的適應(yīng)性，拓寬了TENG的應(yīng)用范圍，在戶外探險(xiǎn)和藍(lán)色能量收集領(lǐng)域顯示出巨大的潛力。
 


  近年來，TENGs在為可穿戴電子設(shè)備供電方面引起了廣泛關(guān)注。然而，在高濕度環(huán)境下，TENGs的電輸出性能受到嚴(yán)重影響，這極大地限制了其在戶外活動(dòng)中的實(shí)際應(yīng)用。由于產(chǎn)生的載流子減少，濕度被認(rèn)為是限制TENG輸出電能的主要因素。當(dāng)TENGs暴露在潮濕環(huán)境中時(shí)，摩擦電材料產(chǎn)生的電荷會(huì)消散，導(dǎo)致電荷轉(zhuǎn)移性能下降。雖然通過材料改性和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等多種方式提高了TENGs的耐濕性，但要做到真正的防水仍然是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。


  在這項(xiàng)工作中，使用ZnO/PAN納米纖維膜和具有高表面粗糙度的3D PDMS膜封裝了一個(gè)防水的TENG，用于在水環(huán)境中收集能量。首先，ZnO NRs的生長不僅提高了納米纖維膜的表面粗糙度，而且提高了納米纖維膜的摩擦電正性，有利于提高防水TENG的能量轉(zhuǎn)換效率。在3D表面上，除了增強(qiáng)TENG的性能外，還能發(fā)揮作用自支撐作用，實(shí)現(xiàn)裝置內(nèi)部觸點(diǎn)分離，實(shí)現(xiàn)水中能量轉(zhuǎn)換。該防水TENG的最大功率密度為184.6 μW/cm2。在2 Hz頻率、30 N的沖擊力下，能產(chǎn)生約166 V和37 μA的輸出電壓和電流。在經(jīng)歷12,000 多次循環(huán)后，3D PDMS-ZnO/PAN TENG 的輸出信號(hào)仍然可以保持穩(wěn)定的電輸出而且?guī)缀醪粫?huì)產(chǎn)生明顯的變化。此外，TENG在相對(duì)高濕度高達(dá)92%表現(xiàn)出優(yōu)異的電氣輸出性能，而且它能夠在水中實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。此外，該研究還證實(shí)了所制備的TENG能夠?qū)⑺魏退鳟a(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為電能，為電子設(shè)備供電，這在藍(lán)色能源收集方面顯示了巨大的潛力。 



  論文第一作者為天津工業(yè)大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院博士生孫悅，通訊作者為美國阿肯色大學(xué)費(fèi)耶特維爾分校壽萬博士和天津工業(yè)大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院劉雍教授。


  全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107506

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