暨南大學唐群委Nano Energy：菱形鈣鈦礦陣列調控摩擦電荷產生與儲存機制

【引言】

摩擦納米發電機（Triboelectric Nanogenerator, TENG）能高效收集風能、雨能、波浪能、人體動能等低頻機械能。金屬鹵化物鈣鈦礦由于具有獨特的介電特性和可調控的介電常數，被認為是一種優異的摩擦電材料。然而，鈣鈦礦表面摩擦電荷湮滅以及摩擦電荷與電極感生電荷的復合降低了摩擦電極表面電荷密度，這嚴重制約了鈣鈦礦基TENG性能的提升。因此，優化制備摩擦材料以調節摩擦電荷的產生與儲存是改善TENG表面摩擦電荷密度的有效途徑之一。

【成果簡介】

近日，暨南大學唐群委教授研究團隊通過制備Co(OH)(CO₃)_0.5/Pt/CsPbIBr₂菱形陣列結構作為TENG的摩擦層，顯著抑制了鈣鈦礦表面摩擦電荷與電極表面感生電荷的復合并增加鈣鈦礦表面摩擦電荷密度，同時，Pt導電層能夠有效增加摩擦電荷空間儲存深度和電荷儲存量。菱形復合納米陣列結構大幅度提升了TENG的電流密度、開路電壓以及電荷密度，分別達到了3.1 μA cm^-2、243 V和9.57 nC cm^-2。此外，鈣鈦礦TENG可以在室內環境下（25 ^oC, 30 %RH）下穩定運行超過1350循環沒有明顯性能衰減，而在干燥柜（25 ^oC，4%RH）中存放50天，TENG仍然保持穩定的輸出性能。這一研究為深入理解半導體材料在TENG領域中的應用以及摩擦電荷產生、儲存以及動態調控機制提供了新思路。相關成果以題為“Charge Boosting and Storage by Tailoring Rhombus All-inorganic Perovskite Nanoarrays for Robust Triboelectric Nanogenerators”發表在最新一期的Nano Energy雜志上，第一作者為杜健博士后，段加龍副教授、楊希婭副教授和唐群委教授為共同通訊作者。

【圖文簡介】

圖一 菱形復合陣列相關表征與摩擦電極結構示意圖

(a-b) Co(OH)(CO₃)_0.5陣列表面和側面SEM圖；

(c-d) CsPbIBr₂/Pt電極表面的SEM圖；

(e-f) XRD和XPS圖譜；

(g) 摩擦層結構示意圖。

圖二 Pt負載量以及鈣鈦礦前驅體溶液濃度對TENG輸出性能的影響

(a-f) 不同Pt負載量對TENG輸出(a, d)電壓、(b, e)電流密度以及(c, f)電荷密度影響；

(g-l) 不同鈣鈦礦前驅體溶液濃度對TENG輸出(g, j)電壓、(h, k)電流密度以及(i, l)電荷密度影響。

圖三 TENG的輸出性能

(a-d) 初始CsPbIBr₂, (b) 1 M CsPbIBr₂/Pt-1, (c) 0.5 M CsPbIBr₂/Pt-1和(d) 0.25 M CsPbIBr₂/Pt-1 TENGs在不同外加負載時功率變化；

(e-f) 經過整流之后電流和電壓輸出；

(g) 0.25 M CsPbIBr₂/Pt-1在不同接觸頻率下輸出電壓；

(h) 0.25 M CsPbIBr2/Pt-1給不同電容器充電曲線；

(i) 整流電路圖以及點亮61個商業LED燈瞬間。

圖四 內建電場改善TENG輸出性能的機理示意圖

(a) 在CsPbIBr₂和Pt界面處費米能級變化示意圖；

(b-c) 在接觸摩擦前后內建電場增強TENG輸出性能機理示意。

圖五 TENG穩定性測試

(a-b) TENG在不同溫度和濕度下輸出電壓變化；

(c-d) 器件經1350次循環后的開路電壓變化。

全文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S221128552030402X