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王雙飛院士團(tuán)隊(duì) Small：動(dòng)態(tài)熱穩(wěn)定的摩擦電納米紙
2023-12-17  來源：高分子科技
關(guān)鍵詞：耐高溫 摩擦電納米紙

  自工業(yè)革命以來，清潔、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、可靠的能源一直是全球繁榮的支柱。21世紀(jì)，對(duì)太空、海底和地球深層的探索推動(dòng)著極端環(huán)境下便攜式能源裝置的發(fā)展。基于接觸起電和靜電感應(yīng)耦合機(jī)制的摩擦納米發(fā)電機(jī)有望解決極端環(huán)境下的能量收集和自供電傳感問題。然而，典型的聚合物正極摩擦電材料在高溫下會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)退化和電荷密度的快速下降，嚴(yán)重?fù)p害發(fā)電機(jī)的供電能力并可能導(dǎo)致災(zāi)難性后果。



  近日，王雙飛院士團(tuán)隊(duì)基于多級(jí)非共價(jià)鍵相互作用設(shè)計(jì)了耐高溫的摩擦電納米紙。納米紙?jiān)诟邷叵聦?shí)現(xiàn)了192 μC m-2的超高表面電荷密度，在50,000次熱沖擊循環(huán)后電荷密度幾乎沒有下降。由這種納米紙制備的摩擦納米發(fā)電機(jī)在200°C時(shí)創(chuàng)造了前所未有的功率密度，高達(dá)2750 mW m-2，是之前最佳紀(jì)錄的13.75倍，并且沒有出現(xiàn)電氣或機(jī)械故障。這項(xiàng)成果以題為“Dynamic Thermostable Cellulosic Triboelectric Materials from Multilevel-Non-Covalent Interactions”發(fā)表在了《Small》上。


【耐高溫摩擦電納米紙的設(shè)計(jì)原理】


  從熱力學(xué)角度來看，聚合物正極摩擦電材料在高溫環(huán)境下的性能取決于鍵合強(qiáng)度和給電子能力。優(yōu)異的聚合物摩擦電材料需要結(jié)合高結(jié)合強(qiáng)度和高供電能力。如圖1所示，經(jīng)典的摩擦電材料設(shè)計(jì)通常忽略鍵合強(qiáng)度，并通過無(wú)序共價(jià)鍵合將非鍵合態(tài)的構(gòu)建塊組合在一起，以提高室溫條件下的表面電荷密度。然而，在高溫環(huán)境下，無(wú)序非共價(jià)鍵快速解離，導(dǎo)致摩擦電材料失去機(jī)械穩(wěn)定性。具有高度非鍵合狀態(tài)單元和多級(jí)非共價(jià)鍵合的纖維素摩擦電材料有望在高溫環(huán)境下保持構(gòu)件的有序性和給電子能力，實(shí)現(xiàn)高熱穩(wěn)定性和超高表面電荷密度。 


圖1. 高溫下聚合物摩擦電材料的設(shè)計(jì)策略示意圖。

【摩擦電納米紙的高溫穩(wěn)定性設(shè)計(jì)策略】


  如圖2所示，為了在高溫下獲得高性能的摩擦電材料，富含羥基（非鍵合狀態(tài)單元）的纖維素納米纖維被用作基本構(gòu)建塊，基于多級(jí)非共價(jià)鍵合相互作用獲得熱穩(wěn)定性。纖維素鏈的超分子結(jié)構(gòu)通過鏈間氫鍵和層間范德華力連接，保證了纖維素材料在高溫下具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。通過纖維素間氫鍵構(gòu)建的機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)，將超分子結(jié)構(gòu)的優(yōu)異性能延伸到宏觀結(jié)構(gòu)。為了進(jìn)一步提高摩擦電納米紙的給電子能力，引入氨基。纖維素羥基上的氧原子和氨基上的氮原子的孤對(duì)電子能夠形成非鍵合軌道，同時(shí)，高電負(fù)性的氧和氮原子吸引鄰近原子的電子，形成具有負(fù)局部偶極子的富電子環(huán)境。兩者的結(jié)合使摩擦電納米紙?jiān)诮佑|過程中提供更多的電子。 


圖2. 纖維素納米紙高溫穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)。

【高溫環(huán)境下納米紙的摩擦起電性能】


  圖3展示了測(cè)試摩擦電納米紙電荷密度的裝置示意圖。摩擦電納米紙?jiān)诓煌瑴囟认卤憩F(xiàn)出穩(wěn)定的輸出，在200°C時(shí)最大摩擦電荷密度達(dá)到192 μC m-2。此外，納米紙?jiān)?/span>200°C下運(yùn)行24 h后, 輸出性能仍保持96.1%，表明其在極端環(huán)境條件下具有穩(wěn)定的摩擦電性能。與其他材料相對(duì)比，大多數(shù)聚合物超過150°C后會(huì)失去尺寸穩(wěn)定性。 


圖3. 高溫環(huán)境下摩擦電納米紙的摩擦起電性能。


【摩擦電納米紙的高溫穩(wěn)定性】


  圖4系統(tǒng)的展示了具有多級(jí)非共價(jià)鍵的摩擦電納米紙?jiān)诟邷叵碌姆(wěn)定性。隨著溫度升高，纖維素摩擦電納米紙的機(jī)械性能逐漸降低，即使在250℃的極端溫度下，仍保留55%的機(jī)械性能。變溫XRD顯示了纖維素摩擦電納米紙超分子結(jié)構(gòu)內(nèi)鏈間氫鍵和層間范德華力的變化。隨著溫度的升高，衍射峰向較小角度移動(dòng)，表明溫度對(duì)非共價(jià)鍵連接具有顯著的影響。通過分析晶面和晶軸方向的變化，發(fā)現(xiàn)纖維素晶體在200℃發(fā)生各向異性熱膨脹。分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了高溫下纖維素鏈內(nèi)氫鍵和二面角的狀態(tài)，纖維素分子內(nèi)的氫鍵發(fā)生明顯的伸長(zhǎng)，保護(hù)了纖維素分子鏈的完整性。 


圖4. 摩擦電納米紙的高溫穩(wěn)定性。


【動(dòng)態(tài)熱穩(wěn)定的摩擦電納米紙用于摩擦納米發(fā)電機(jī)】


  圖5詳細(xì)評(píng)估了摩擦電納米紙?jiān)诟邷丨h(huán)境中的發(fā)電能力；谀Σ岭娂{米紙制備的摩擦納米發(fā)電機(jī)用于測(cè)試極端環(huán)境下的功率密度、穩(wěn)定性和充電容量測(cè)試環(huán)境包括溫差環(huán)境（模式1與模式2）和高溫環(huán)境（模式3）。在這三種模式下，摩擦電納米紙的表面電荷密度都能保持穩(wěn)定。尤其是模式1的功率密度高達(dá)2750 mW m-2，比先前報(bào)道的高溫摩擦納米發(fā)電機(jī)的最高功率密度高13.75倍。這些結(jié)果表明，摩擦電納米紙構(gòu)建的摩擦納米發(fā)電機(jī)在極端條件下具有出色的供電能力，為航空航天、深地能源勘探、軌道衛(wèi)星系統(tǒng)、月球和火星基地等領(lǐng)域的電子設(shè)備和傳感器提供了可持續(xù)發(fā)展路徑。 


圖5. 摩擦電納米紙?jiān)跇O端環(huán)境下的適用性。


  小結(jié)：本研究開發(fā)的摩擦電納米紙?jiān)趪?yán)重的熱沖擊循環(huán)下表現(xiàn)出機(jī)械穩(wěn)定性，并在極端環(huán)境條件下實(shí)現(xiàn)192 μC m-2的超高表面電荷密度；谀Σ岭娂{米紙構(gòu)建的摩擦納米發(fā)電機(jī)在200°C下實(shí)現(xiàn)了前所未有的功率密度，高達(dá)2750 mW m-2。這一摩擦電材料的突破性進(jìn)展，為航空航天、地下石油等領(lǐng)域的自供電傳感器和其他電子設(shè)備提供了可持續(xù)發(fā)展的解決方案。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202307504

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