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科学家研制出高分子气凝胶柔性摩擦纳米发电机2018-02-02

随着移动电子产品、可穿戴设备等的飞速发展,人们对便捷、可持续的供电需求日益增长。尤其是电子织物、电子服装,其发展离不开供电设备的小型化和柔性化。因此,通过压电、摩擦电、热电、光电等效应,选择设计具有微纳米结构的材料和器件,收集和存储环境中未被充分利用的机械、物理等能量为电子设备供电,这种绿色、可持续的纳米发电机成为近年来的前沿热点研究方向之一。

基于摩擦起电效应和静电感应效应的摩擦纳米发电机(TENG),具有电能输出和能量转换效率高、成本低、制备简易等特点,被认为是具有广阔前景的能源捕获装置。

摩擦纳米发电机由两种极性不同的材料组装而成,其正极材料通常为金属(如银、铜、铝)或金属氧化物(如氧化锌、氧化铟锡)。然而,金属在环境中易被氧化、腐蚀,且金属氧化物柔韧性欠佳,从而影响到TENG的稳定性及应用领域。因此,具有优良稳定性和可塑性的高分子正极材料开始受到关注,如聚酰胺、纤维素和聚吡咯等。然而,相比金属正极材料,高分子作为正极材料的TENG的电信号输出要低得多。因此,亟需提高全高分子基的TENG的电信号输出。

最近,美国威斯康星大学麦迪逊分校的Shaoqin Sarah Gong教授(通讯作者)、Qifeng Zheng博士和华南理工大学Liming Fang访问教授(共同第一作者)报道了一种基于高分子气凝胶的柔性摩擦纳米发电机(A-NG)。其正极材料为纤维素(CNF)或壳聚糖(CTS)气凝胶膜,负极材料为多孔聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚酰亚胺(PI)气凝胶。相比对应的实心结构电极,气凝胶电极显著提高了摩擦纳米发电机的输出功率达11倍。

基于高分子气凝胶的摩擦纳米发电机(A-NG)的示意图

该论文还比较了高分子气凝胶电极的材料类型、孔隙率及比表面积等因素对TENG电性能的影响,发现随着正负电极材料极性差异和孔隙率的提高,A-NG的输出电压急剧增加。其中孔隙率为86%的壳聚糖与孔隙率为92%的PI组装的A-NG,在受到~0.03 MPa压力的作用下,可输出60.6V的电压和7.7μA的电流,其面积功率密度达到2.33W/m2,足以驱动LED等器件或为电容器充电。

不同孔隙率的PI气凝胶对P-CTS/P-PI A-NGs电压输出的影

该工作首次将高分子多孔材料同时用作摩擦纳米发电机的正负极,并分析了材料孔隙对TENG电信号输出的影响机理。在正负电极接触分离过程中,除了接触表面产生的正负静电荷,同时孔表面因为静电感应效应亦会产生额外电荷,高比表面累计的额外电荷导致正负电极产生更大的感应电势差,从而显著提高电信号输出。另外,该工作通过化学气相沉积法,对纤维素气凝胶孔隙表面进行氨基硅烷化改性,提高其正电极性,使得TENG的电信号输出相比改性前提高了3倍。

基于多孔高分子气凝胶的A-NG的摩擦发电机理示意图

该研究利用环保的天然高分子取代昂贵、易腐蚀的金属作为正极材料,通过改变气凝胶孔隙率和表面化学改性等简单方法,调控摩擦纳米发电机的电输出性能,对研发新型电极材料、发展高性能柔性能源捕获器件有参考价值。

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