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含氟聚合物轉(zhuǎn)移印刷圖案化，制備高效摩擦納米發(fā)電機

來源: X-MOL 2017-06-15 11:43:29

目前，太陽能、風能、水力發(fā)電等已經(jīng)是被人們廣泛認知和開發(fā)利用的清潔能源。但是，風能、水力發(fā)電對地域和環(huán)境條件的要求比較苛刻；而太陽能的開發(fā)和利用率則受天氣和季節(jié)的影響比較大。摩擦生電，作為一種幾乎人人皆知的現(xiàn)象，普遍存在于人們的各個生活領(lǐng)域。而基于納米能源與壓電電子學理論而研發(fā)出來的摩擦納米發(fā)電機（triboelectric nanogenerators，TENG），讓摩擦發(fā)電這一普遍存在性能源技術(shù)的有效利用成為可能。TENG的能源來源非常廣泛，包括人體運動、海水的潮汐運動、微弱風能、水能以及微小的震動等都可以產(chǎn)生微納能量。而研究進一步發(fā)現(xiàn)，帶有微納結(jié)構(gòu)形貌的材料表面其摩擦生電效率可以提高幾個數(shù)量級。這為高效TENG的設(shè)計、開發(fā)提供了方向。

近日，韓國科學技術(shù)院（KAIST）的Jin-Baek Kim和韓國中央大學（Chung-Ang University）的Sangmin Lee等科學家，從TENG材料選擇和表面微納形貌構(gòu)筑兩方面入手構(gòu)筑了高效的摩擦納米發(fā)電機。研究團隊選用了含氟甲基丙烯酸酯聚合物（poly(1H,1H,2H,2H-perfluorodecyl methacrylate)，PFDMA）為摩擦材料，采用轉(zhuǎn)移印刷（transfer printing）技術(shù)構(gòu)筑PFDMA表面規(guī)整超疏水微納形貌，同時保持了圖案化PFDMA構(gòu)件較高的透明性和可轉(zhuǎn)移性。

研究團隊對PFDMA-TENG的摩擦發(fā)電輸出性能進行了系統(tǒng)測試。結(jié)果表明，PFDMA-TENG器件其開路電壓（VOC）、閉路電流（ICC）隨著PFDMA表面微米棒陣列的高度增加呈現(xiàn)增大趨勢，最優(yōu)輸出電壓和輸出電流分別為68 V和6.68 μA。輸出功率依賴于外加負載電阻，當負載電阻為500 MΩ，輸出功率達到150 μW。該結(jié)果表明PFDMA能夠?qū)崿F(xiàn)表面電荷密度和表面形貌的簡便調(diào)節(jié)，是構(gòu)筑具有高效摩擦生電輸出效率TENG器件的優(yōu)異材料。

此外，基于含氟聚合物的低表面能特性，PFDMA展現(xiàn)出優(yōu)異的疏水性能。其平面結(jié)構(gòu)PFDMA水接觸角為117.7°，而隨著表面微納結(jié)構(gòu)陣列的引入及陣列高度的增加其疏水性逐步增加。當微米棒陣列高度達到20 μm時，PFDMA表面達到超疏水狀態(tài)（水接觸角155.0°）。

TENG表面的潤濕性能對于液-固接觸應(yīng)用模式下器件的電學性能有著重要影響。因此，研究團隊進一步對PFDMA-TENG液-固接觸模式下的應(yīng)用性能進行了考察。水流速度1.25 ml/s條件下，表面無微納結(jié)構(gòu)PFDMA-TENG幾乎無輸出電壓，且電壓較低；微陣列高度為5 μm、10 μm的PFDMA-TENGs輸出電壓由于其表面疏水性不充分，導(dǎo)致輸出電壓較高，但不規(guī)律；而微陣列高度為20 μm時，其表面的超疏水特性保證了其高輸出電壓（4V）的穩(wěn)定性。

——總結(jié)——

該研究通過應(yīng)用新型含氟材料并結(jié)合材料表面微納形貌的簡便可控構(gòu)筑，制備了具有高效輸出效率的摩擦納米發(fā)電機PFDMA-TENG。同時，基于PFDMA-TENG的高透明性，以及隨著PFDMA表面粗糙度的增加其疏水性和PFDMA-TENG輸出電壓同步提升的特點，該器件有望進一步結(jié)合太陽能電池、人造樹葉等構(gòu)筑復(fù)合能量收集系統(tǒng)。隨著納米能源領(lǐng)域研究的不斷深入，我們期待摩擦納米發(fā)電機（TENG）的發(fā)展能夠提供更多持續(xù)的清潔能源。

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