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  作為一種革命性的能量收集技術，摩擦電納米發電機（Triboelectric Nanogenerator，簡稱TENG）不僅提供了一種可持續、分布式能源供給技術，而且構建了無需外部電源的自供電系統，具有成本低、質量輕、材料選擇廣、低頻下轉換效率高等優勢。然而，高濕環境中水分子形成的導電通路引起的表面電荷耗散，顯著降低TENG的輸出性能，從而影響其能量收集和長期穩定運行。課題組前期通過電荷快速積累技術(Advanced Energy Materials, 2021, 2100050)及雙電容增強技術(Advanced Energy Materials, 2021, 2101958)，已顯著提升TENG高濕環境下輸出性能。但環境濕度對TENG表面電荷的影響機制尚不清楚。因此，需要一種有效的策略來提高TENG在高濕環境下的輸出性能，并進一步研究高濕環境下表面電荷的衰減機理。

  近日，中國科學院北京納米能源與系統研究所王杰研究員與王中林院士領導的科研團隊提出通過介電材料選擇和表面電荷工程，提出了一種新型抗高濕度TENG。以接觸-分離模式TENG為測量工具，系統地研究了相對濕度對常用介電材料表面電荷衰減的影響。結果表明，介電材料表面剩余電荷量隨介電材料疏水性的增加而增加，高濕環境下更為明顯。此外，表面電荷的衰減與電荷種類有關，濕度條件下離子電荷比電子電荷更穩定。通過耦合高疏水介電材料聚四氟乙烯和離子注入法，TENG在90%相對濕度的極端環境下連續運行50000次，仍保持了高達91%的輸出性能。本工作的提出不僅為抗高濕度TENG的設計提供了一種范例，而且在不同環境條件和海洋能源采集等方面具有廣闊的應用前景。

圖1. 高濕環境下電荷衰減。（a）濕度環境下表面電荷耗散示意圖。（b）通過表面電荷工程在介電材料表面引入負電荷示意圖。（c）常用介電材料在90%濕度下連續運行4500次前后的表面剩余電荷。基于離子注入聚四氟乙烯薄膜的TENG在90%濕度下連續運行4500次前后的（d）電荷密度、（e）電流密度和（f）開路電壓。

圖2. 濕度和溫度對不同介電材料表面電荷衰減的影響。不同相對濕度條件下（a）聚酰亞胺薄膜、（b）聚氯乙烯薄膜、（c）全氟乙烯丙烯共聚物薄膜、（d）聚四氟乙烯薄膜表面電荷密度。（e）濕度環境下表面剩余電荷與介質材料接觸角之間的關系。（f）聚酰亞胺薄膜、（g）聚氯乙烯薄膜、（h）全氟乙烯丙烯共聚物薄膜、（i）聚四氟乙烯薄膜在各種環境條件下的性能比較。

圖3. 電荷種類對聚四氟乙烯薄膜表面電荷穩定性的影響。（a）聚四氟乙烯表面通過離子注入和調制法引入的負電荷在不同濕度條件下的密度和表面剩余電荷。通過離子注入和調制法在聚四氟乙烯表面引入的電荷在（b）328K和（c）358K溫度環境下的衰減。（d）離子電荷和（e）電子電荷在濕度環境下耗散示意圖。

圖4. 耦合疏水介電材料與離子注入的TENG在高濕度下的應用。（a）高濕度測量系統示意圖。（b）自供電系統驅動電子器件的等效電路圖。（c）通過離子注入和調制法在聚四氟乙烯表面引入電荷的TENG充電容曲線對比。（d）基于離子注入聚四氟乙烯薄膜的TENG驅動電子表的圖片。通過（e）離子注入和（f）調制法在聚四氟乙烯表面引入電荷的TENG驅動電子表的充電曲線。（g）通過離子注入在聚四氟乙烯表面引入電荷的TENG在90%濕度下穩定性測試。

圖5. 耦合疏水介電材料與離子注入的TENG在模擬海洋環境中的應用。（a）水箱測試系統圖（比例尺尺寸：10cm）。（b）TENG點亮77個發光二極管的圖片（比例尺尺寸：10cm）。（c）TENG給不同電容器充電的電壓曲線。通過離子注入和調制法在聚四氟乙烯表面引入電荷的TENG的（d）轉移電荷、（e）短路電流和（f）開路電壓。

  以上工作以“A high humidity-resistive triboelectric nanogenerator via coupling of dielectric material selection and surface-charge engineering”為題發表在Journal of Materials Chemistry A期刊上。論文第一作者為中國科學院北京納米能源與系統研究所博士研究生劉璐、助理研究員周靈琳、博士研究生張楚國，通訊作者為中國科學院北京納米能源與系統研究所王杰研究員與王中林院士。

  論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ta/d1ta05694h