摩擦电纳米发电机新机理

摩擦电纳米发电机(TENG)能够将机械能转化为电能,具有轻便、成本低和性能优良的特点,自从2012年被发现以来,在自供能可穿戴器件、海洋能源收集、健康监测等领域有着广阔的应用前景。举例来说,它可以将人体走路时膝盖弯曲或者手指弯曲产生的机械能转化为电能,甚至可以收集水滴移动的机械能。但是,目前所有的TENG器件是基于固-固、固-液或者液-液之间设计的,其性能常常受到周围环境、摩擦层的相对位置以及器件寿命的影响。为解决这一问题,新加坡南洋理工大学的Pooi See Lee团队首次设计了基于气-固界面的自修复摩擦电纳米发电机,该器件能牢固的粘结在各类物体表面,有望用于机器人触觉传感和帕金森症监测等。该研究以题为“Self-healable sticky porous elastomer for gas-solid interacted power generation”发表在《Science Advances》上。

南洋理工大学李佩诗《Science》子刊:摩擦电纳米发电机新机理

【PDPU弹性体的制备】

作者制备了如图1所示的尿素-肟-氨基甲酸酯的多孔超分子弹性体(简称PDPU)。气孔在PDPU内部均匀分布,且不影响PDPU的表面平整度,这也造就了PDPU在玻璃、不锈钢、纸板表面均有良好的粘附力。此外PDPU独特的化学结构也造就了它极好的自修复性能以及机械性能。无论拉伸至500%还是压缩至60%,PDPU都能回到原始的状态,展示了极好的拉伸和压缩性能。

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图1 PDPU弹性体的形貌和各项性能

 

【TENG器件的输出原理】

随后,作者将Ag纳米线作为上下电极,与多孔PDPU组装成了TENG器件。多孔PDPU基TENG展示出3.8V的输出电压、17 nC的转移电荷量和35 nA·cm−2的电荷密度,远高于致密PDPU制备的TENG器件(0.2 V,2.5 nC和1.2 nA·cm−2)和多孔PDMS基TENG器件。这也说明多孔PDPU内部的气-固界面是器件的能量来源。同时,静态表面电势测试表明,PDPU的表面电势为-2.36 kV,远低于现有的常用摩擦层负极材料PDMS和PTFE(0.23 kV)

作者认为,多孔PDPU基TENG工作原理是基于气孔的压缩和恢复过程中,气体的体积变化会引起PDPU界面的电荷密度发生变化,这表现出在压缩和恢复过程中有电压的产生。

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图2 PDPU基TENG器件的原理以及输出性能

 

【PDPU基TENG器件输出性能的影响参数】

作者随后探究了PDPU内部的气孔大小、厚度以及气体成分对于TENG器件输出性能的影响。结果表明气孔大小为1mm、PDPU厚度为4 mm且气体成分为空气时,器件的输出电压最高。这是由于合适的气孔大小和PDPU的厚度能够保证在压缩过程中气孔的形变以及气固界面达到最优。同时空气中的带电颗粒对于器件的输出电压起了决定性的作用。

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图3气-固TENG器件的工作机理探究

 

【PDPU基TENG器件的自修复性能】

该TENG器件另一个突出的性能是具有优异的自修复性能。将器件切成两块后,在100 oC处理4h,切口明显消失。且输出电压与未处理前没有明显变化。此外,在对器件拉伸至1200%的形变再恢复后,器件的输出性能仍未降低。说明该器件在极端拉伸条件下仍能保持较好的稳定性。此外,该器件在270 s内能把10 μF的电容器充电到2 V,该电容器能点亮几十盏LED灯,显示出优异的性能。

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图4 PDPU基TENG器件的自修复性能

 

【PDPU基TENG器件的应用】

此外,该TENG器件还可以作为自供能传感器监测人体不同部位的运动。在不同运动模式下,包括弯曲、扭转以及拉伸,器件均能表现出良好的信号响应。此外,该器件的输出电压与压力具有良好的线性关系,有望用于机器人的触觉传感。另外,该器件还能区别正常步伐和拖动步伐(帕金森症患者),未来有望用于健康监测领域。

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图5 PDPU基TENG器件的应用展示

 

【总结】

作者设计并制备了基于气-固界面的新型摩擦电纳米发电机。该器件具有优异的自修复性能和力学性能,且能够粘附到各类物体表面。未来有望作为自供能传感器用于机器人触觉传感以及人类健康监测等。

原文链接:

https://advances.sciencemag.org/content/6/29/eabb4246.abstract

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