天津工業大學劉雍教授Nano Energy：在高溼度甚至水中都表現出優異的電氣輸出性能的柔性TENG
摩擦電納米發電機(TENGs)能夠將周圍環境中的機械能轉化爲電能，具有重量輕、性價比高、安全性高、環境友好、耐久性好等特點，在傳感和能量轉換方面顯示出巨大的潛力。電紡納米纖維具有大表面積、高表面粗糙度、高孔隙率和良好的柔韌性，成爲提高摩擦電材料表面電荷密度的候選材料。但是，當TENGs暴露在潮溼環境中時，摩擦電材料產生的電荷會消散，導致電荷轉移性能下降。因此，溼度極大地限制了TENG輸出電能。
鑑於此，天津工業大學劉雍教授團隊報道了一種由三維(3D)微結構聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜和聚丙烯腈(PAN)納米纖維/氧化鋅納米棒(ZnO NRs)複合膜，該複合膜組成了防水、抗溼摩擦電材料TENG，稱之爲3D PDMS-ZnO/PAN TENGs。在PAN納米纖維和3D結構的PDMS上引入ZnO NRs可以顯著提高封裝完整的TENG的輸出功率，最大功率密度爲184.6 μW/cm2。在2Hz頻率、30 N的衝擊力下，製備的TENG能產生約166 V和37 μA的電壓和電流。此外，TENG在高溼度(高達92% RH)甚至在水中也表現出優異的電氣輸出性能。作者進一步證明，本研究製備的TENG可以作爲一種可持續的電源，驅動商用發光二極管(LEDs)、計算器和溼度計。鑑於其在水和潮溼條件下的優異電力輸出性能，TENG在極端天氣下爲戶外電子設備供電方面具有很大的潛力。相關研究成果以“3D micro-nanostructure based waterproof triboelectric nanogenerator as an outdoor adventure power source”爲題目發表於期刊《Nano Energy》上。
圖1 (a)用於能量收集的3D PDMS-ZnO/PAN TENG的示意圖。(b) ZnO/PAN納米纖維膜的SEM圖像。(c) 3D PDMS薄膜的SEM圖像。(d)聚丙烯腈及ZnO/PAN納米纖維膜的XRD譜圖。(e)具有不同摩擦電層的TENG的輸出電壓。(f) 3D PDMS-ZnO/PAN TENG正(左)、反(右)連接的輸出電壓。(g)外接電阻負載對電壓和功率密度的影響。
PAN納米纖維/ZnO納米棒的製備
在DMF和丙酮(體積比7:3)的混合溶劑中加入Zn(Ac)2，攪拌30 min，然後PAN粉(18% wt%)在60℃下連續磁攪拌8 h，得到均勻的紡絲溶液。採用靜電紡絲法制備了Zn(Ac)2/PAN納米纖。將製備好的Zn(Ac)2/PAN納米纖維膜置於130℃烘箱中24 h，採用水熱生長法制備了含ZnO NRs的PAN納米纖維(ZnO/PAN)。
ZnO NRs生長的PAN納米纖維膜爲正摩擦電材料，三維結構的PDMS膜爲負摩擦電材料。將ZnO納米棒均勻地生長在聚丙烯腈納米纖維上，通過模壓光刻成功地製備了柱狀結構的聚丙烯腈薄膜。微納米結構的設計爲提高摩擦電材料的接觸面積提供了必要的條件。此外，測量了ZnO/PAN納米纖維膜、3D PDMS膜和封裝的TENG表面的水接觸角。
親水性ZnO/PAN納米纖維膜對大氣中的水分子很敏感，水分子會破壞電荷轉移或產生電荷耗散。而疏水3D PDMS薄膜可以降低其表面電荷損失。作者採用封裝處理來提高TENG的環境適應性。該器件可以依靠摩擦電材料本身的特殊結構設計，無需任何額外的支撐結構，使3D PDMS-ZnO/PAN TENG在水中仍能產生電輸出。
圖2 (a) 3D PDMS-ZnO/TENG的工作機理示意圖。不同底徑的PDMS柱構建的3D PDMS-ZnO/PAN TENG的(b) 輸出電壓和(c)電流。不同密度PDMS柱陣列的3D PDMS- zno /PAN TENG的(d)輸出電壓和(e)電流。
圖3 (a) 3D PDMS-ZnO/PAN TENG在不同機械力作用下的輸出電壓。(b) 3D PDMS-ZnO/PAN TENG在不同衝擊頻率下的輸出電壓。(c)不同工作區域的3D PDMS-ZnO/PAN TENG的輸出電壓。(d)電容器充電電路圖。(f)連接LED的3.3 μF電容的充放電曲線。(g)3D PDMS-ZnO/PAN TENG經過12000循環後的穩定性試驗。
圖4 (a)當相對溼度從21%增加到92%時，3D PDMS-ZnO/PAN TENG的輸出電壓。(b)手捏法在水中反覆測量3D PDMS-ZnO/PAN TENG的輸出電壓。(c)示意圖和(d)用腳踏法測量製備的TENG在水中的實驗輸出電壓。(e)不同浸泡時間下3D PDMS-ZnO/PAN TENG的輸出電壓。
圖5 3D PDMS-ZnO/PAN TENG(4 × 4 cm2 ) 的輸出電壓。 (b) 3D PDMS-ZnO/PAN TENG在30n衝擊力下2Hz頻率下整流後的輸出電壓。(b) 3D PDMS-ZnO/PAN TENG 在 2 Hz 頻率下在 30 N 的衝擊力下整流後的輸出電壓。(c) 使用橋式整流器的 3D PDMS-ZnO/PAN TENG 充電電子設備的電路圖。(d) 由 3D PDMS-ZnO/PAN TENG 通過 2,200 μF 電容器驅動的計算器。(e) 由 3D PDMS-ZnO/PAN TENG 通過 2,200 μF 電容器驅動的溫溼度計。(f) 3D PDMS-ZnO/PAN TENG 在 30 N、2 Hz 下直接點亮商用 LED。(g) 3D PDMS-ZnO/PAN TENG 在各種戶外探險設備中的可能應用。(h) 3D PDMS-ZnO/PAN TENG在不同作用力下的鋰離子電池充電曲線。
圖 6 (a) 水滴撞擊防水 TENG 示意圖。(b) 防水TENG受到不同頻率水滴衝擊時的輸出電壓（TENG上方水滴高度：100 cm）。(c) 防水TENG受到不同高度水滴衝擊時的輸出電壓（水滴頻率：3Hz）。(d) 水流影響防水 TENG 的示意圖。(e) 防水TENG受到水流衝擊時的輸出電壓。(f) 防水的 TENG 在水流的衝擊下可以點亮商用的 4 個 LED。(g) 電容器充電後驅動電子天平的照片。使用防水 TENG 用於能量收集的概念圖像 (h) 雨天、(i) 陣雨和 (j) 瀑布。
小結
本研究成功地開發了一種防水、防潮的3D PDMS ZnO/PAN TENG用於水能收集。在完全封裝的情況下，利用三維結構的PDMS實現了內部兩種摩擦電材料的接觸分離。封裝的柔性3D PDMS-ZnO/PAN TENG在2Hz頻率、30 N的衝擊力下，具有較高的電氣輸出性能(最大功率密度爲174.7 μW/cm2)。此外，在大約 12,000 次循環後，3D PDMS-ZnO/PAN TENG 的輸出信號可以保持穩定而沒有任何明顯的退化。最重要的是，製造的 TENG 在高溼度甚至水中都表現出出色的電輸出性能。此外，TENG還可以將水滴和水流產生的能量轉化爲電能。因此，3D PDMS-ZnO/PAN TENG 產生的電能可以存儲在電容器或可充電電池中，爲各種電子設備供電，在戶外探險和藍色能量收集方面顯示出巨大潛力。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107506
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