Energy Environ. Sci.: 反向極化鐵電薄膜實現高性能類摩擦電納米發電機

【引言】

摩擦電納米發電機（TENG），是通過表面靜電充電和靜電感應效應相結合將機械能轉化為電能的可持續能量轉換手段。TENG與微電子機械系統靜電發電機類似，不同之處在于TENG不由外部電壓充電，其電荷來源是兩種材料接觸和分離時形成的表面電荷。為提高TENG性能，需要選擇合適的材料組合。可以參考摩擦電序，查詢某材料與不同材料接觸時帶正電或負電的趨勢。摩擦電序頂部材料與底部的材料接觸，則可以產生最高的凈表面電荷。然而摩擦電序是經驗性結論，不同實驗間也存在差異。其他增加凈靜電表面電荷的方法則是改變材料的表面化學性質或通過納米結構增加兩個表面之間的接觸面積。

【成果簡介】

近日，拉脫維亞里加工業大學Andris ?utka教授（通訊作者）團隊報道了研究鐵電聚合物膜摩擦電納米發電機性能增強機制，并利用反向極化鐵電薄膜實現高性能類摩擦電發電機的工作。該研究發表于Energy & Environmental Science，題為“Inversely polarised ferroelectric polymer contact electrodes for triboelectric-like generators from identical materials”。人們普遍認為鐵電聚合物膜TENG性能的提高是因為鐵電聚合物絕緣體“有效功函數”的調制反過來也增強了TENG電極間的電荷轉移。該研究在實驗上驗證了以上理論是錯誤的，Andris ?utka教授團隊觀察到鐵電聚合物膜TENG性能的增強源于壓電電荷的驅動作用。通過使PDMS和極化的聚偏二氟乙烯（PVDF）相接觸，Andris ?utka教授團隊觀察到該TENG的輸出電壓明顯高于基于PDMS和非極化PVDF的TENG的輸出電壓。并且，使相對的TENG電極層接觸相同但反向偏振的PVDF膜時，可以觀察到更高的輸出電壓。進而，該工作實現了利用反向極化的聚偏乙烯薄膜構建新型壓電靜電發生器（PEEG），新型PEEG表現出比TENG更好的機械能電能轉換性能。

【圖文導讀】

圖1. PVDF膜制備與表征

(a).摩擦力發電器件的高孔隙PVDF接觸層的制備過程示意圖。

(b, c).用甲醇作為反溶劑進行浸漬沉淀而獲得的PVDF膜的SEM圖像和AFM圖像。

(d).50cm² PVDF樣品照片。

(e).PVDF中偶極取向示意圖。

(f).1220cm^-1至1300cm^-1（上）和740cm^-1至850cm^-1（下）的非極化PVDF，100℃熱處理非極化PVDF，PVDF “+”和PVDF “-”衰減全反射傅立葉紅外光譜(ATR-FITR)。

圖2. 基于PVDF“+”的TENG和PEEG性能測試

(a, b). 在摩擦電和壓電模式下（兩種模式如插圖中的示意圖所示）測量的極化和非極化PVDF的平均輸出電壓和短路峰值電流。

(c, e).基于PVDF “+”的TENG的電壓和電流。

(d, f). 基于PVDF “+”的PEEG的電壓和電流。

圖3.壓電靜電發電機的工作機制

圖4. 基于PVDF的TENG性能和基于反向極化PVDF的PEEG原理

(a).基于PVDF的TENG平均輸出電壓和短路峰值。

(b).基于反向極化PVDF層的PEEG的工作原理示意圖。

圖5. 基于PVDF的PEEG性能測試

(a, b).非接觸模式與接觸模式測量切換時，PDMS與非極化PVDF復合結構的輸出電壓和電流。

(c, d).非接觸模式與接觸模式測量切換時，極化PVDF “+”與PVDF “-”復合結構的輸出電壓和電流。

【小結】

基于鐵電聚合物膜的摩擦電納米發電機（TENG）裝置的高性能源自壓電電荷的靜電感應作用，而不是如之前所報道的是由于接觸層之間的電子轉移而增強。以該機制為出發點，可以構建基于相同材料的反向極化鐵電聚合物膜的高效類TENG壓電靜電發生器（PEEG）。該工作中所提出的能量收集設備在自供電裝置中具有很大的應用前景。

文獻鏈接：Inversely polarised ferroelectric polymer contact electrodes for triboelectric-like generators from identical materials (Energy Environ. Sci.，2018，DOI: 10.1039/C8EE00550H)

本文由材料人電子電工學術組二正正笑春風供稿，材料牛整理編輯。

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