Efficient Output and Stability Triboelectric Materials Enabled by High Deep Trap Density
1、研究背景
鑒于日益增強的環(huán)保意識與科技的進步，可持續(xù)材料在新能源、生物醫(yī)學(xué)材料及可穿戴設(shè)備領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。紙張因其卓越的生物降解性和低廉的成本而備受矚目。自2012年摩擦電納米發(fā)電機 (TENGs) 問世以來，其獨特的發(fā)電方式與紙張材料高度契合，推動了紙基摩擦電材料的顯著發(fā)展。然而，這類材料本身缺乏高效的電荷存儲結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致電荷在摩擦層表面累積時易發(fā)生泄漏或耗散。
2、文章概述
近日，王雙飛院士團隊開發(fā)了一種具有深層陷阱的紙基摩擦電材料，實現(xiàn)了高效的電荷存儲。與純纖維素紙相比，該材料的深層陷阱密度提高了約54倍。基于該材料的TENG峰值輸出功率密度比純纖維素紙基TENG高出約45倍，20,000次循環(huán)后仍能維持約136 V的穩(wěn)定電壓。該成果以"Efficient Output and Stability Triboelectric Materials Enabled by High Deep Trap Density"為題發(fā)表在《Nano Letters》期刊上。2022級碩士研究生張雅琪為本文第一作者，段青山博士和梁東武副研究員為通訊作者，何娟霞博士、高宇教授、許貝、栗劍鋒、劉坤博士、聶雙喜教授參與研究。
3、文章導(dǎo)讀
3.1.紙基摩擦電材料中深層陷阱的構(gòu)筑策略
本研究通過氫鍵組裝策略（HBA）開發(fā)了一種利用深層陷阱實現(xiàn)高效電荷儲存的紙基摩擦電材料。首先，SiO2與纖維素濾紙通過氫鍵相互作用形成穩(wěn)定的基底。然后，Ti3C2Tx薄片沿平面方向排列在SiO2納米顆粒上。Ti3C2Tx的高效電子傳遞效應(yīng)有利于電荷的有效傳輸。SiO2通過懸掛鍵/不飽和鍵或不飽和氧化作用誘導(dǎo)表面缺陷，促進生成使載流子得以駐留的深層陷阱，進而對Ti3C2Tx傳輸?shù)讲牧蟽?nèi)部的摩擦電荷進行高效捕獲。
3.2.驗證SiO2引入的結(jié)構(gòu)陷阱
通過TS-CFP的FTIR可發(fā)現(xiàn)自組裝系統(tǒng)內(nèi)部存在大量氫鍵。SiO2引入的結(jié)構(gòu)陷阱導(dǎo)致纖維素內(nèi)部發(fā)生電荷重組，改變晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力，引起晶格收縮、晶面間距減小，增加衍射角；同時，破壞纖維素分子之間的有序排列，降低其結(jié)晶度。另外，陷阱改變了局部應(yīng)力和電荷分布使得Raman光譜中相關(guān)特征峰藍移；陷阱引起的散射光子能量分布的擴大導(dǎo)致150~400 cm?1處特征峰的展寬，且陷阱導(dǎo)致的鍵合能波動導(dǎo)致了XPS新峰的出現(xiàn)。此外，由于其電子相互作用被氫鍵所改變而造成晶格膨脹，Ti3C2Tx晶格條紋間距增大，抑制了Ti3C2Tx納米片團聚，促進電荷傳輸通道的形成，有利于電荷進入材料內(nèi)部然后被陷阱捕獲。上述證據(jù)表明，通過成功實施 HBA 策略，TS-CFP自組裝體系的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到了顯著增強，并且在其內(nèi)部有效地構(gòu)建了陷阱。
3.3.TS-CFP中摩擦電荷的耗散與存儲性能
與純纖維素相比，該摩擦電材料具有較低的電荷耗散率，淺層與深層陷阱密度分別提高了約15倍和54倍，表明 TS-CFP 自組裝系統(tǒng)中存在更多此類陷阱。當(dāng)摩擦電荷從表面移動到材料中時，它們可能會遇到陷阱并被捕獲，從而阻礙其原始路徑。相較于淺層陷阱，深層陷阱具有更高的陷阱能級 (0.87 eV)；這意味著當(dāng)電荷試圖從深層陷阱中逃離時，必須克服一個更大的勢壘，因此電荷被捕獲并維持在陷阱中的時間得以延長，從而減少了耗散。此外，該摩擦電材料表現(xiàn)出良好的介電性能與較大的表面電勢，進一步驗證了深層陷阱在提升電荷儲存能力的有效性。
3.4.紙基摩擦電材料的摩擦電輸出特性
與純纖維素基TENG相比，基于該材料的TENG在2 Hz下的電荷密度、短路電流和開路電壓分別提高了574%、545%和368%，峰值輸出功率密度提高了約45倍。SiO2含量對開路電壓具有雙重影響：適量時通過增加深層陷阱密度提升電荷存儲能力，過量時則通過削弱駐極體效應(yīng)和提高電導(dǎo)率加劇電荷耗散，從而呈現(xiàn)出先升后降的變化趨勢。而且，該TENG在20,000次循環(huán)后仍能保持約136 V的穩(wěn)定電壓，具有良好的穩(wěn)定性和作為自供電電源的潛力。
3.5.極端氣候下的紙基TENG
由于深層陷阱能夠捕獲紫外線輻射產(chǎn)生的光生載流子和熱激發(fā)產(chǎn)生的電荷載流子，該紙基TENG在暴露于紫外線和高溫條件下長達12 h后，其電壓分別只降低了14%和6%，具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。同時，TENG的快速響應(yīng)-恢復(fù)時間以及電壓與濕度之間的高度線性關(guān)系，表明其有望應(yīng)用于實時濕度監(jiān)測。以上試驗表明，該紙基TENG在惡劣天氣條件下能保持正常功能，具有良好的應(yīng)用潛力。
4、結(jié)論
利用纖維素濾紙、Ti3C2Tx和SiO2成功設(shè)計了一種具有深層陷阱的紙基摩擦電材料。該材料能夠高效地將摩擦電荷傳輸至其內(nèi)部，并將它們牢牢捕獲在深層陷阱中而防止耗散。基于該材料的TENG展現(xiàn)出了卓越的穩(wěn)定性和實用性，為紙基摩擦電材料的進一步發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c05154