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蘭州化物所王道愛研究員團隊 AFM:耐溶脹抗磨PAN/PVA-CaCl?復(fù)合膜基耐濕摩擦納米發(fā)電機用于海水淡化
2023-10-09  來源:高分子科技

  大氣中的水分會加速摩擦電納米發(fā)電機(TENG中摩擦電荷的傳輸和耗散,從而大大降低了TENG的輸出性能和穩(wěn)定性,限制了其實際應(yīng)用。為了解決這一問題,研究人員采用超疏水摩擦電材料或封裝包裝制備了各種耐濕TENG。然而,繁瑣、復(fù)雜的疏水和包封工藝并不適合于TENG的廣泛應(yīng)用,也不能完全扭轉(zhuǎn)TENG性能隨濕度增加而下降的趨勢。因此,Wang等人提出了一種基于淀粉膜的TENG,該TENG在高相對濕度下表現(xiàn)出更好的輸出性能Nano Energy 202077105088。考慮到淀粉膜在高濕環(huán)境下機械和摩擦學(xué)性能的不足,以及長時間與水接觸容易溶解,Wang等人還設(shè)計了一種基于氫鍵增強的聚乙烯醇(PVA)基TENG,具有優(yōu)異的電荷保持性能和耐濕性能Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2009172。然而,純PVA的固有特性,如吸水速度慢和抗膨脹性差,會損害PVA膜的機械穩(wěn)定性和滲透性能,而限制了PVATENG在高相對濕度下的實際應(yīng)用。因此,提高PVATENG在高濕條件下的輸出性能和工作穩(wěn)定性仍然是一個迫切需要解決的問題。


  近日,中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所王道愛研究員團隊采用聚丙烯腈/聚乙烯醇-氯化鈣PAN/PVA-CaCl2復(fù)合薄膜,設(shè)計了一種用于海水淡化的抗膨脹耐濕高性能TENGPPCa-TENG)。與其他制備的膜相比,PAN/PVA-CaCl2復(fù)合膜在高濕度下具有更好的吸水速度、抗膨脹性能、機械性能和摩擦學(xué)性能。分子動力學(xué)模擬結(jié)果表明,在高相對濕度下,PAN/PVA-CaCl2復(fù)合膜體系中形成了更多的氫鍵。75%相對濕度下,PPCa-TENG的最大短路電流Isc和輸出電壓Vo分別達到52.04 μA941 V,使PVA-TENG的功率提高了約17.39倍。開爾文探針顯微鏡(KPFM結(jié)果表明,PAN/PVA-CaCl2復(fù)合膜具有較高的摩擦正性。此外,PPCa-TENG作為一種有效、經(jīng)濟的電源應(yīng)用于海水淡化,其能耗僅為0.19 kWh m-3。這一數(shù)字明顯低于以往工作中報道的由傳統(tǒng)直流電源供電的海水淡化。該工作為設(shè)計高濕條件下高性能的TENG提供了一種可行、有效的方法。


1. PAN/PVA-CaCl2復(fù)合膜的制備與結(jié)構(gòu)。



2. PAN/PVA-CaCl2復(fù)合膜的吸水和溶脹行為。


3. PAN/PVA-CaCl2復(fù)合膜的力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能。


4. 高相對濕度下PPCa-TENG的摩擦電性能。


5. PPCa-TENG在海水淡化中的應(yīng)用。


  該工作以標題“Humidity-Resistant Triboelectric Nanogenerator Based on a Swelling-Resistant and Antiwear PAN/PVA-CaCl2 Composite Film for Seawater Desalination”發(fā)表在Advanced Functional Materials上。該工作獲得了中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項B類、國家自然科學(xué)基金和山東省泰山學(xué)者特聘專家計劃等的支持。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1002/adfm.202306702

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