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含氟聚合物转移印刷图案化，制备高效摩擦纳米发电机

来源: X-MOL 2017-06-15 11:43:29

目前，太阳能、风能、水力发电等已经是被人们广泛认知和开发利用的清洁能源。但是，风能、水力发电对地域和环境条件的要求比较苛刻；而太阳能的开发和利用率则受天气和季节的影响比较大。摩擦生电，作为一种几乎人人皆知的现象，普遍存在于人们的各个生活领域。而基于纳米能源与压电电子学理论而研发出来的摩擦纳米发电机（triboelectric nanogenerators，TENG），让摩擦发电这一普遍存在性能源技术的有效利用成为可能。TENG的能源来源非常广泛，包括人体运动、海水的潮汐运动、微弱风能、水能以及微小的震动等都可以产生微纳能量。而研究进一步发现，带有微纳结构形貌的材料表面其摩擦生电效率可以提高几个数量级。这为高效TENG的设计、开发提供了方向。

近日，韩国科学技术院（KAIST）的Jin-Baek Kim和韩国中央大学（Chung-Ang University）的Sangmin Lee等科学家，从TENG材料选择和表面微纳形貌构筑两方面入手构筑了高效的摩擦纳米发电机。研究团队选用了含氟甲基丙烯酸酯聚合物（poly(1H,1H,2H,2H-perfluorodecyl methacrylate)，PFDMA）为摩擦材料，采用转移印刷（transfer printing）技术构筑PFDMA表面规整超疏水微纳形貌，同时保持了图案化PFDMA构件较高的透明性和可转移性。

研究团队对PFDMA-TENG的摩擦发电输出性能进行了系统测试。结果表明，PFDMA-TENG器件其开路电压（VOC）、闭路电流（ICC）随着PFDMA表面微米棒阵列的高度增加呈现增大趋势，最优输出电压和输出电流分别为68 V和6.68 μA。输出功率依赖于外加负载电阻，当负载电阻为500 MΩ，输出功率达到150 μW。该结果表明PFDMA能够实现表面电荷密度和表面形貌的简便调节，是构筑具有高效摩擦生电输出效率TENG器件的优异材料。

此外，基于含氟聚合物的低表面能特性，PFDMA展现出优异的疏水性能。其平面结构PFDMA水接触角为117.7°，而随着表面微纳结构阵列的引入及阵列高度的增加其疏水性逐步增加。当微米棒阵列高度达到20 μm时，PFDMA表面达到超疏水状态（水接触角155.0°）。

TENG表面的润湿性能对于液-固接触应用模式下器件的电学性能有着重要影响。因此，研究团队进一步对PFDMA-TENG液-固接触模式下的应用性能进行了考察。水流速度1.25 ml/s条件下，表面无微纳结构PFDMA-TENG几乎无输出电压，且电压较低；微阵列高度为5 μm、10 μm的PFDMA-TENGs输出电压由于其表面疏水性不充分，导致输出电压较高，但不规律；而微阵列高度为20 μm时，其表面的超疏水特性保证了其高输出电压（4V）的稳定性。

——总结——

该研究通过应用新型含氟材料并结合材料表面微纳形貌的简便可控构筑，制备了具有高效输出效率的摩擦纳米发电机PFDMA-TENG。同时，基于PFDMA-TENG的高透明性，以及随着PFDMA表面粗糙度的增加其疏水性和PFDMA-TENG输出电压同步提升的特点，该器件有望进一步结合太阳能电池、人造树叶等构筑复合能量收集系统。随着纳米能源领域研究的不断深入，我们期待摩擦纳米发电机（TENG）的发展能够提供更多持续的清洁能源。

材料学

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