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天津工業大學劉雍教授團隊 Nano Energy:在高濕環境甚至水環境中實現能量轉換的防水摩擦納米發電機(TENG)
2022-06-21  來源:高分子科技

  高濕環境會顯著降低摩擦納米發電機(TENGs)的能量轉換性能,使其產生的電荷發生耗散,導致電荷轉移性能下降。具有防水、耐濕性能的TENG可實現高濕環境甚至是水環境中的機電轉換。然而,對TENG進行簡單的封裝不可避免地導致器件電輸出性能降低。因此,制備可以依靠自身結構使封裝器件內部產生接觸分離的防水TENG能夠在水中實現高效地能量轉換,是提高TENG工作環境的適應性、增強輸出性能的有效解決方案。


  近日,天津工業大學紡織科學與工程學院劉雍教授課題組,在國際著名期刊《Nano Energy》(影響因子為17.881)報道了題為“3D micro-nanostructure based waterproof triboelectric nanogenerator as an outdoor adventure power source”的文章。文中對所制備的防水TENG在高濕環境甚至水環境中的能量轉換性能進行了詳細介紹。該研究極大地提高了TENG工作環境的適應性,拓寬了TENG的應用范圍,在戶外探險和藍色能量收集領域顯示出巨大的潛力。
 


  近年來,TENGs在為可穿戴電子設備供電方面引起了廣泛關注。然而,在高濕度環境下,TENGs的電輸出性能受到嚴重影響,這極大地限制了其在戶外活動中的實際應用。由于產生的載流子減少,濕度被認為是限制TENG輸出電能的主要因素。當TENGs暴露在潮濕環境中時,摩擦電材料產生的電荷會消散,導致電荷轉移性能下降。雖然通過材料改性和結構設計等多種方式提高了TENGs的耐濕性,但要做到真正的防水仍然是一個巨大挑戰。


  在這項工作中,使用ZnO/PAN納米纖維膜和具有高表面粗糙度的3D PDMS膜封裝了一個防水的TENG,用于在水環境中收集能量。首先,ZnO NRs的生長不僅提高了納米纖維膜的表面粗糙度,而且提高了納米纖維膜的摩擦電正性,有利于提高防水TENG的能量轉換效率。在3D表面上,除了增強TENG的性能外,還能發揮作用自支撐作用,實現裝置內部觸點分離,實現水中能量轉換。該防水TENG的最大功率密度為184.6 μW/cm2。在2 Hz頻率、30 N的沖擊力下,能產生約166 V和37 μA的輸出電壓和電流。在經歷12,000 多次循環后,3D PDMS-ZnO/PAN TENG 的輸出信號仍然可以保持穩定的電輸出而且幾乎不會產生明顯的變化。此外,TENG在相對高濕度高達92%表現出優異的電氣輸出性能,而且它能夠在水中實現機械能到電能的轉換。此外,該研究還證實了所制備的TENG能夠將水滴和水流產生的能量轉化為電能,為電子設備供電,這在藍色能源收集方面顯示了巨大的潛力。 



  論文第一作者為天津工業大學紡織科學與工程學院博士生孫悅,通訊作者為美國阿肯色大學費耶特維爾分校壽萬博士和天津工業大學紡織科學與工程學院劉雍教授。


  全文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107506

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(責任編輯:xu)
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