天津工业大学刘雍教授Nano Energy：在高湿度甚至水中都表现出优异的电气输出性能的柔性TENG
摩擦电纳米发电机(TENGs)能够将周围环境中的机械能转化为电能，具有重量轻、性价比高、安全性高、环境友好、耐久性好等特点，在传感和能量转换方面显示出巨大的潜力。电纺纳米纤维具有大表面积、高表面粗糙度、高孔隙率和良好的柔韧性，成为提高摩擦电材料表面电荷密度的候选材料。但是，当TENGs暴露在潮湿环境中时，摩擦电材料产生的电荷会消散，导致电荷转移性能下降。因此，湿度极大地限制了TENG输出电能。
鉴于此，天津工业大学刘雍教授团队报道了一种由三维(3D)微结构聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜和聚丙烯腈(PAN)纳米纤维/氧化锌纳米棒(ZnO NRs)复合膜，该复合膜组成了防水、抗湿摩擦电材料TENG，称之为3D PDMS-ZnO/PAN TENGs。在PAN纳米纤维和3D结构的PDMS上引入ZnO NRs可以显著提高封装完整的TENG的输出功率，最大功率密度为184.6 μW/cm2。在2Hz频率、30 N的冲击力下，制备的TENG能产生约166 V和37 μA的电压和电流。此外，TENG在高湿度(高达92% RH)甚至在水中也表现出优异的电气输出性能。作者进一步证明，本研究制备的TENG可以作为一种可持续的电源，驱动商用发光二极管(LEDs)、计算器和湿度计。鉴于其在水和潮湿条件下的优异电力输出性能，TENG在极端天气下为户外电子设备供电方面具有很大的潜力。相关研究成果以“3D micro-nanostructure based waterproof triboelectric nanogenerator as an outdoor adventure power source”为题目发表于期刊《Nano Energy》上。
图1 (a)用于能量收集的3D PDMS-ZnO/PAN TENG的示意图。(b) ZnO/PAN纳米纤维膜的SEM图像。(c) 3D PDMS薄膜的SEM图像。(d)聚丙烯腈及ZnO/PAN纳米纤维膜的XRD谱图。(e)具有不同摩擦电层的TENG的输出电压。(f) 3D PDMS-ZnO/PAN TENG正(左)、反(右)连接的输出电压。(g)外接电阻负载对电压和功率密度的影响。
PAN纳米纤维/ZnO纳米棒的制备
在DMF和丙酮(体积比7:3)的混合溶剂中加入Zn(Ac)2，搅拌30 min，然后PAN粉(18% wt%)在60℃下连续磁搅拌8 h，得到均匀的纺丝溶液。采用静电纺丝法制备了Zn(Ac)2/PAN纳米纤。将制备好的Zn(Ac)2/PAN纳米纤维膜置于130℃烘箱中24 h，采用水热生长法制备了含ZnO NRs的PAN纳米纤维(ZnO/PAN)。
ZnO NRs生长的PAN纳米纤维膜为正摩擦电材料，三维结构的PDMS膜为负摩擦电材料。将ZnO纳米棒均匀地生长在聚丙烯腈纳米纤维上，通过模压光刻成功地制备了柱状结构的聚丙烯腈薄膜。微纳米结构的设计为提高摩擦电材料的接触面积提供了必要的条件。此外，测量了ZnO/PAN纳米纤维膜、3D PDMS膜和封装的TENG表面的水接触角。
亲水性ZnO/PAN纳米纤维膜对大气中的水分子很敏感，水分子会破坏电荷转移或产生电荷耗散。而疏水3D PDMS薄膜可以降低其表面电荷损失。作者采用封装处理来提高TENG的环境适应性。该器件可以依靠摩擦电材料本身的特殊结构设计，无需任何额外的支撑结构，使3D PDMS-ZnO/PAN TENG在水中仍能产生电输出。
图2 (a) 3D PDMS-ZnO/TENG的工作机理示意图。不同底径的PDMS柱构建的3D PDMS-ZnO/PAN TENG的(b) 输出电压和(c)电流。不同密度PDMS柱阵列的3D PDMS- zno /PAN TENG的(d)输出电压和(e)电流。
图3 (a) 3D PDMS-ZnO/PAN TENG在不同机械力作用下的输出电压。(b) 3D PDMS-ZnO/PAN TENG在不同冲击频率下的输出电压。(c)不同工作区域的3D PDMS-ZnO/PAN TENG的输出电压。(d)电容器充电电路图。(f)连接LED的3.3 μF电容的充放电曲线。(g)3D PDMS-ZnO/PAN TENG经过12000循环后的稳定性试验。
图4 (a)当相对湿度从21%增加到92%时，3D PDMS-ZnO/PAN TENG的输出电压。(b)手捏法在水中反复测量3D PDMS-ZnO/PAN TENG的输出电压。(c)示意图和(d)用脚踏法测量制备的TENG在水中的实验输出电压。(e)不同浸泡时间下3D PDMS-ZnO/PAN TENG的输出电压。
图5 3D PDMS-ZnO/PAN TENG(4 × 4 cm2 ) 的输出电压。 (b) 3D PDMS-ZnO/PAN TENG在30n冲击力下2Hz频率下整流后的输出电压。(b) 3D PDMS-ZnO/PAN TENG 在 2 Hz 频率下在 30 N 的冲击力下整流后的输出电压。(c) 使用桥式整流器的 3D PDMS-ZnO/PAN TENG 充电电子设备的电路图。(d) 由 3D PDMS-ZnO/PAN TENG 通过 2,200 μF 电容器驱动的计算器。(e) 由 3D PDMS-ZnO/PAN TENG 通过 2,200 μF 电容器驱动的温湿度计。(f) 3D PDMS-ZnO/PAN TENG 在 30 N、2 Hz 下直接点亮商用 LED。(g) 3D PDMS-ZnO/PAN TENG 在各种户外探险设备中的可能应用。(h) 3D PDMS-ZnO/PAN TENG在不同作用力下的锂离子电池充电曲线。
图 6 (a) 水滴撞击防水 TENG 示意图。(b) 防水TENG受到不同频率水滴冲击时的输出电压（TENG上方水滴高度：100 cm）。(c) 防水TENG受到不同高度水滴冲击时的输出电压（水滴频率：3Hz）。(d) 水流影响防水 TENG 的示意图。(e) 防水TENG受到水流冲击时的输出电压。(f) 防水的 TENG 在水流的冲击下可以点亮商用的 4 个 LED。(g) 电容器充电后驱动电子天平的照片。使用防水 TENG 用于能量收集的概念图像 (h) 雨天、(i) 阵雨和 (j) 瀑布。
小结
本研究成功地开发了一种防水、防潮的3D PDMS ZnO/PAN TENG用于水能收集。在完全封装的情况下，利用三维结构的PDMS实现了内部两种摩擦电材料的接触分离。封装的柔性3D PDMS-ZnO/PAN TENG在2Hz频率、30 N的冲击力下，具有较高的电气输出性能(最大功率密度为174.7 μW/cm2)。此外，在大约 12,000 次循环后，3D PDMS-ZnO/PAN TENG 的输出信号可以保持稳定而没有任何明显的退化。最重要的是，制造的 TENG 在高湿度甚至水中都表现出出色的电输出性能。此外，TENG还可以将水滴和水流产生的能量转化为电能。因此，3D PDMS-ZnO/PAN TENG 产生的电能可以存储在电容器或可充电电池中，为各种电子设备供电，在户外探险和蓝色能量收集方面显示出巨大潜力。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107506
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