中科院纳米能源所王杰&王中林团队《JMCA》：基于介电材料选择和表面电荷工程的抗高湿度摩擦电纳米发电机
作为一种革命性的能量收集技术，摩擦电纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator，简称TENG）不仅提供了一种可持续、分布式能源供给技术，而且构建了无需外部电源的自供电系统，具有成本低、质量轻、材料选择广、低频下转换效率高等优势。然而，高湿环境中水分子形成的导电通路引起的表面电荷耗散，显著降低TENG的输出性能，从而影响其能量收集和长期稳定运行。课题组前期通过电荷快速积累技术(Advanced Energy Materials, 2021, 2100050)及双电容增强技术(Advanced Energy Materials, 2021, 2101958)，已显著提升TENG高湿环境下输出性能。但环境湿度对TENG表面电荷的影响机制尚不清楚。因此，需要一种有效的策略来提高TENG在高湿环境下的输出性能，并进一步研究高湿环境下表面电荷的衰减机理。
近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所王杰研究员与王中林院士领导的科研团队提出通过介电材料选择和表面电荷工程，提出了一种新型抗高湿度TENG。以接触-分离模式TENG为测量工具，系统地研究了相对湿度对常用介电材料表面电荷衰减的影响。结果表明，介电材料表面剩余电荷量随介电材料疏水性的增加而增加，高湿环境下更为明显。此外，表面电荷的衰减与电荷种类有关，湿度条件下离子电荷比电子电荷更稳定。通过耦合高疏水介电材料聚四氟乙烯和离子注入法，TENG在90%相对湿度的极端环境下连续运行50000次，仍保持了高达91%的输出性能。本工作的提出不仅为抗高湿度TENG的设计提供了一种范例，而且在不同环境条件和海洋能源采集等方面具有广阔的应用前景。
图1. 高湿环境下电荷衰减。（a）湿度环境下表面电荷耗散示意图。（b）通过表面电荷工程在介电材料表面引入负电荷示意图。（c）常用介电材料在90%湿度下连续运行4500次前后的表面剩余电荷。基于离子注入聚四氟乙烯薄膜的TENG在90%湿度下连续运行4500次前后的（d）电荷密度、（e）电流密度和（f）开路电压。
图2. 湿度和温度对不同介电材料表面电荷衰减的影响。不同相对湿度条件下（a）聚酰亚胺薄膜、（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电荷密度。（e）湿度环境下表面剩余电荷与介质材料接触角之间的关系。（f）聚酰亚胺薄膜、（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种环境条件下的性能比较。
图3. 电荷种类对聚四氟乙烯薄膜表面电荷稳定性的影响。（a）聚四氟乙烯表面通过离子注入和调制法引入的负电荷在不同湿度条件下的密度和表面剩余电荷。通过离子注入和调制法在聚四氟乙烯表面引入的电荷在（b）328K和（c）358K温度环境下的衰减。（d）离子电荷和（e）电子电荷在湿度环境下耗散示意图。
图4. 耦合疏水介电材料与离子注入的TENG在高湿度下的应用。（a）高湿度测量系统示意图。（b）自供电系统驱动电子器件的等效电路图。（c）通过离子注入和调制法在聚四氟乙烯表面引入电荷的TENG充电容曲线对比。（d）基于离子注入聚四氟乙烯薄膜的TENG驱动电子表的图片。通过（e）离子注入和（f）调制法在聚四氟乙烯表面引入电荷的TENG驱动电子表的充电曲线。（g）通过离子注入在聚四氟乙烯表面引入电荷的TENG在90%湿度下稳定性测试。
图5. 耦合疏水介电材料与离子注入的TENG在模拟海洋环境中的应用。（a）水箱测试系统图（比例尺尺寸：10cm）。（b）TENG点亮77个发光二极管的图片（比例尺尺寸：10cm）。（c）TENG给不同电容器充电的电压曲线。通过离子注入和调制法在聚四氟乙烯表面引入电荷的TENG的（d）转移电荷、（e）短路电流和（f）开路电压。
以上工作以“A high humidity-resistive triboelectric nanogenerator via coupling of dielectric material selection and surface-charge engineering”为题发表在Journal of Materials Chemistry A期刊上。论文第一作者为中国科学院北京纳米能源与系统研究所博士研究生刘璐、助理研究员周灵琳、博士研究生张楚国，通讯作者为中国科学院北京纳米能源与系统研究所王杰研究员与王中林院士。
论文链接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ta/d1ta05694h
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