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中科院納米能源所張弛研究員團(tuán)隊(duì) ACS Nano：氫鍵活化織物基超高電流密度摩擦伏特納米發(fā)電機(jī)
2025-02-19  來(lái)源：高分子科技

  摩擦伏特效應(yīng)是半導(dǎo)體界面摩擦產(chǎn)生直流電的現(xiàn)象，摩擦形成新的化學(xué)鍵，釋放出被稱為 “bindington”的能量，激發(fā)半導(dǎo)體界面上的電子-空穴對(duì)發(fā)生躍遷，從而在內(nèi)建電場(chǎng)或界面電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生直流電。摩擦伏特納米發(fā)電機(jī)（TVNG）相比于傳統(tǒng)基于絕緣體聚合物的摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG），具有高電流密度、低內(nèi)阻和高功率密度的特點(diǎn)，且不需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的電源管理就可以為低功耗電子設(shè)備供電，在自供電系統(tǒng)領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的潛力，目前基于Si、GaN、Bi2Te3等無(wú)機(jī)半導(dǎo)體TVNG在電學(xué)輸出上已經(jīng)取得了突破性的進(jìn)展，其在厘米級(jí)尺寸上可以實(shí)現(xiàn)100 V以上的電壓輸出及為智能電子設(shè)備供電。然而剛性的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料并不適合可穿戴柔性電子器件的集成與應(yīng)用。為了開(kāi)發(fā)柔性半導(dǎo)體TVNG，研究人員將PEDOT:PSS、PPy及PAN等有機(jī)半導(dǎo)體集成到柔性薄膜和纖維織物上，展現(xiàn)了較好的柔韌性和直流輸出特性。其中織物基TVNG由于具有優(yōu)異的柔韌性，人體可穿戴性，是目前柔性半導(dǎo)體TVNG發(fā)展的重點(diǎn)。


圖1 氫鍵活化織物基超高電流密度摩擦伏特納米發(fā)電機(jī)


  近期，中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所張弛研究員團(tuán)隊(duì)報(bào)道了由氫鍵（HBs）活化的超高電流密度摩擦伏特發(fā)電織物（FO-TTG）。這是團(tuán)隊(duì)報(bào)道的PVA增強(qiáng)PEDOT:PSS摩擦伏特性能和機(jī)械性能基礎(chǔ)上進(jìn)一步的研究成果（Nano Energy, 2023, 106, 108075）。在本項(xiàng)工作中，與未激活的性能相比，在摩擦界面上引入 95%乙醇形成氫鍵激活的FO-TTG產(chǎn)生的電流密度和峰值功率密度是8.75 A/m2和1074.5mW/m2，分別提高了438倍和170倍（圖2）。此外，在厘米級(jí)尺寸，這一電流密度比目前報(bào)道的無(wú)機(jī) TVNG的電流密度紀(jì)錄大 3.43 倍以上。研究人員應(yīng)用了不同濃度的乙醇溶液、DMSO等作為激活溶劑，發(fā)現(xiàn)95%乙醇溶液是最佳選擇，其激活效果明顯優(yōu)于其他溶劑，添加 95%的乙醇溶液不會(huì)損害復(fù)合薄膜的結(jié)構(gòu)完整性，并保持其機(jī)械耐磨性。此外，研究者發(fā)現(xiàn)FO-TTG在界面引入95%乙醇后，其功率密度和本征內(nèi)阻得到了優(yōu)化，對(duì)大電容的充電能力顯著提升。在不同滑動(dòng)速度和壓強(qiáng)下，FO-TTG的電流密度和開(kāi)路電壓均表現(xiàn)出正相關(guān)性，進(jìn)一步證明了其在不同工作條件下的穩(wěn)定性和高效性（圖3）。


圖2 柔性有機(jī)紡織摩擦伏特發(fā)電機(jī)（FO-TTG）的基本結(jié)構(gòu)和組成


圖3 FO-TTG的輸出性能表征


  研究人員研究了其工作機(jī)制，摩擦界面滴加的溶劑能夠通過(guò)與 PSS-形成氫鍵來(lái)屏蔽 PEDOT+和 PSS-之間的離子鍵合作用，釋放出更多的活性 PEDOT+，摻雜劑聚乙烯醇 （PVA）被溶劑溶解時(shí)能進(jìn)一步暴露出更多的 PEDOT:PSS，導(dǎo)致活性成分PEDOT+進(jìn)一步被釋放（圖4）。FO-TTG的高輸出電流能力使其在實(shí)際應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。通過(guò)簡(jiǎn)單的串聯(lián)或并聯(lián)，FO-TTG能夠直接為電子表、溫濕度計(jì)、藍(lán)牙無(wú)線傳輸報(bào)警系統(tǒng)等低功耗電子設(shè)備供電。對(duì)于日常使用頻率最高的手機(jī)，FO-TTG也能為其充電。此外，得益于其超高的輸出電流密度，六個(gè)并聯(lián)的FO-TTG在低頻機(jī)械能輸入下，能直接為2 F的大電容充電，10min儲(chǔ)存的電能可驅(qū)動(dòng)小型電機(jī)運(yùn)行20 s，這在傳統(tǒng)TENG中是難以實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用范例（圖5）。這些應(yīng)用不僅展示了FO-TTG的高輸出能力，也為深入理解摩擦伏特效應(yīng)機(jī)理、有機(jī)半導(dǎo)體器件性能調(diào)控、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面奠定了基礎(chǔ)，為摩擦伏特效應(yīng)的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開(kāi)辟了新的思路，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。


圖4 FO-TTG的工作機(jī)理分析


圖5 六個(gè)串聯(lián)或并聯(lián)FO-TTG應(yīng)用舉例


  相關(guān)研究以“Ultrahigh Current Density Tribovoltaic Nanogenerators Based on Hydrogen Bond-Activated Flexible Organic Semiconductor Textile”為題發(fā)表在ACS Nano期刊上（Doi：10.1021/acsnano.4c11010）。文章第一作者是北京納米能源與系統(tǒng)研究所助理研究員劉國(guó)旭博士。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金原創(chuàng)探索計(jì)劃項(xiàng)目延續(xù)資助的支持（52450006）。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c11010
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