蔚山科技大學Nano?Energy：一種基于超疏水表面的抗高濕度防污染的納米發電機

【引言】

近年來不斷加劇的能源危機以及個人電子器件及物聯網的普及使得發展可再生能源技術顯得尤為重要。納米發電機（TENG）自其問世以來已經被廣泛的應用于收集環境中的各種機械能并將其轉化為電能。在納米發電機性能不斷提高的同時，納米發電機的穩定性特別是在嚴苛環境下的穩定性引起了越來越多的關注。這是由于現目前的TENG大多數沒有嚴密的封裝。特別是對于單電極模式的TENG，往往需要直接與外部環境或對象接觸。因此TENG的輸出性能很容易受到外部濕度或者污染的影響。最近，基于超疏水材料界面的TENG成為研究熱點。這是由于超疏水結構能抑制高濕度環境下在其表面形成水膜而引起的性能下降。而且超疏水表面所帶來的自清潔性能可以防止TENG被環境中的灰塵等的污染。但目前為止大多數制備方法較為復雜而且所得到的表面疏水結構很難真正實現超疏水（接觸角>150°）。因此發展簡單可靠的超疏水摩擦層材料顯得尤為重要。

【圖文介紹】

近日， 蔚山科技大學（UNIST）的Taesung Kim教授與Jeong Min Baik教授合作，在Nano?Energy 上發表了題為 “High humidity- and contamination-resistant triboelectric nanogenerator with superhydrophobic interface” 的研究論文。本文受到自然界中常見超疏水材料如荷葉的表面粗糙微納結構的啟發，發展了結合了光刻，顆粒印刷與軟印刷方法的3D分級微納復合超疏水聚二甲基硅氧烷（PDMS）摩擦層材料制備方法。本文還研究了該3D分級結構對提高TENG輸出性能，以及在高濕度環境下的穩定性的貢獻。同時得益于該材料的超疏水特性，本文對該TENG的自清潔性能也進行了研究。

圖1

a）荷葉表面粗糙凸起結構的SEM圖像；

b）不同顏色的食用色素液滴滴加在本文所介紹的具有3D分級結構的超疏水界面上；

c）該具有超疏水界面的摩擦層材料可以應用于不同模式的TENG中；

d）該具有3D分級結構的超疏水界面材料的制備步驟及個步驟產物的SEM表征圖像和接觸角測量圖像（161°）。

圖2

a）與 b) 具有不同表面形貌的PDMS 摩擦層材料用于垂直接觸-分離模式TENG的開路電壓與短路電流對比；

c）到 f）用COMSOL 模擬得到的由不同表面微結構的PDMS摩擦層材料所構造的TENG 中的電勢分布。

圖3

a）與 b）用戴有天然橡膠手套的手拍打具有不同表面形貌PDMS 摩擦層材料的單電極TENG 的開路電壓與短路電流對比；

c) 用戴有天然橡膠手套的手拍打單電極TENG 的機理示意圖及等效電路；

d）用裸露手掌拍打具有3D分級微納結構PDMS 摩擦層材料的單電極TENG 的開路電壓與短路電流對比；

e) 用裸露手掌拍打單電極TENG 的機理示意圖及等效電路；

f）用戴有天然橡膠手套的手拍打具有3D分級微納結構PDMS?摩擦層材料的單電極TENG 并用所產生電能點亮400只串聯的LED。

圖4

a）具有平坦表面以及3D分級微納結構超疏水表面PDMS 摩擦層材料的納米發電機輸出電壓隨環境濕度的變化情況；

b）具有平坦表面PDMS 摩擦層材料的納米發電機在被水潤濕后輸出電壓隨著時間延長而逐漸恢復的過程；

c）具有3D分級微納結構超疏水表面PDMS 摩擦層材料的納米發電機在被水潤濕后輸出電壓隨著時間延長而逐漸恢復的過程；

d）具有3D分級微納結構超疏水表面PDMS 摩擦層材料的自清潔功能；

e）具有平坦表面PDMS 摩擦層材料的納米發電機被SiO₂粉末污染并清洗不同次數后的輸出電壓；

f）具有3D分級微納結構超疏水表面PDMS 摩擦層材料的納米發電機被SiO₂粉末污染并清洗不同次數后的輸出電壓。

【小結】

綜上所述，作者提出了一種具有3D分級微納復合結構的PDMS摩擦層材料。用戴有天然橡膠手套的手掌怕打由該摩擦層材料構成的單電極模式的TENG時輸出電壓達到400V，電流密度達到17 μA/cm²。同時基于該超疏水PDMS摩擦層材料的垂直接觸-分離模式的TENG在高達80%?的相對濕度環境下仍保持了高達86%的輸出性能。在更極端的環境下比如直接被被水潤濕時該TENG可以很快的恢復（24.6 S）其輸出性能。相比之下基于平坦PDMS摩擦層材料的垂直接觸-分離模式的TENG則需要66.2 S才能夠恢復。而且由于該超疏水材料的自清潔性能，在被SiO₂?顆粒連續污染清洗5次后仍然保持了高達88%的輸出性能。因此，該具有3D分級微納復合結構的摩擦層材料顯示出廣泛運用于面向嚴苛環境的高性能納米發電機中的潛力。

文章鏈接：High humidity- and contamination-resistant triboelectric nanogenerator with superhydrophobic interface?(Nano Energy,?2019, DOI:10.1016/j.nanoen.2018.12.091)

本文由蔚山科技大學Taesung Kim教授與Jeong Min Baik教授團隊供稿，編輯部編輯。

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