蘭州大學秦勇團隊Nature子刊:創紀錄！高性能溫差驅動摩擦納米發電機

【引言】

基于機械能向電能轉化過程中的摩擦起電與靜電感應效應耦合，摩擦電納米發電機（triboelectric nanogenerator, TENG）已成功用于機械能量收集和自供電傳感器。為了獲得更高的電輸出性能，研究者已經做了很多工作，包括材料選擇，結構優化，耦合表面極化和真空中的滯后介電極化。同時輸出性能與材料、結構、摩擦面積、表面電荷密度、外力、工作頻率等之間的關系也被深入研究。此外，通過采用鐵電材料并調節介電常數，更容易地獲得/損失電荷，最大電流密度已提高至350?μA cm^-2。除了室溫外，TENG在某些特定應用中還需要在高溫下工作。但是，當TENG的工作溫度高于260 K時，其輸出性能顯著降低，其原因在于摩擦材料的溫度將影響電子的存儲和耗散。研究表明，摩擦層溫度的升高會增加摩擦層的電子熱電子發射能力，從而降低摩擦層的電荷存儲能力，導致TENG輸出較差。因此，兩個摩擦層之間的溫差是影響TENG輸出的一個非常重要且復雜的因素，同時利用實際應用條件下的溫差來提高TENG的輸出也是非常重要的，但實現其優異的電輸出性能仍然面臨著巨大的挑戰。

近日，蘭州大學秦勇教授團隊（通訊作者）從理論上研究了高溫和溫差對TENG的影響，并給出了提高TENG輸出的最佳摩擦層之間的溫差。具體而言，結合摩擦帶電的電子-云勢阱模型和熱電子發射模型，設計和制備了一種具有摩擦層溫度可控的TENG（TDNG），以將TENG的輸出性能提高到更高的記錄。同時，隨著較熱和較冷摩擦層之間的溫差(?ΔT?)從0 K增加到219 K，TDNG的電輸出性能先增加然后降低。在最佳溫度?T(~145 K)下，開路電壓為858 V，短路電流為20μA，表面電荷密度為58.8 μCm^-2和輸出功率為206.7?μW，其分別是?T為0 K時輸出值的2.7、2.2、3.0和4.9倍。此外，通過進一步優化TDNG的摩擦材料，電流密度提高到443 μA cm^-2，比記錄值（350 μA cm^-2）提高了26.6%?。相關研究成果以“High performance temperature difference triboelectric nanogenerator”為題發表在Nature Commun.上。

【圖文導讀】

圖一、不同摩擦層之間的溫差對TENG性能的影響（a）ΔT對電荷轉移和耗散的影響；

（b）ΔT與短路轉移電荷密度關系的數值模擬；

（c）TENG在不同ΔT條件下的潛在分布；

（d）冷卻摩擦層的導熱系數對T_c的影響；

（e）較冷摩擦層的導熱系數對表面電荷密度的影響。

圖二、TDNG的設計和輸出性能（a）TDNG的示意圖；

（b）不同ΔT條件下TDNG的開路電壓；

（d）不同ΔT條件下TDNG的短路電流。

圖三、ΔT對TDNG影響的表征（a）短路條件下TDNG每個循環（CQC）轉移電荷量與ΔT的關系；

（b）不同ΔT下，摩擦后Kapton的熱刺激放電電流；

（c）不同ΔT下，摩擦后Kapton的表面電位。

圖四、ΔT對具有不同摩擦材料的TDNG影響

（a）當ΔT分別等于0K和145K時，不同外部電路負載電阻下的TDNG的輸出電壓和電流；

（b）當ΔT分別為0K和145K時，不同外部電路負載電阻的TDNG的輸出功率；

（c，d）當ΔT=0K和最佳ΔT時，不同摩擦材料的開路電壓和短路電流；

（e，f）在ΔT=90下，Al-PTFE TDNG的開路電壓和短路電流密度。

圖五、由風驅動的TDNG在高溫物體表面工作的示意圖（a）風驅動的TDNG的光學圖像；

（b）在風下工作的風驅動的TDNG光學圖像；

（c）955個白色LEDs在~8.3 ms^-1的風驅動TDNG下照明；

（d）不同ΔT下風驅動TDNG的開路電壓和短路電流；

（e）不同ΔT下，0K、21K和41K?22μF電容器的充電曲線；

（f）發光指示燈用于溫差指示；

（g）由風驅動的TDNG的溫度傳感器的光學圖像。

【小結】

綜上所述，本文通過摩擦帶電的電子-云勢阱模型和熱電子發射模型相結合的模擬研究了溫差對TENG性能的影響，并設計并制造了一種摩擦層溫度可控的TENG，以提高電氣輸出性能。隨著溫差的增加，由于電子從較熱的摩擦層轉移到較冷的摩擦層，TDNG的輸出先增加然后減少。在最佳?T下, Al-Kapton TDNG的開路電壓、短路電流、表面電荷密度和輸出功率比?T等于0 K時增加了2.7，2.2，3.0和4.9倍。同時，摩擦的構造層溫差可以擴展到其他TENG以提高它們的輸出。此外，將摩擦材料從Al-Kapton改為Al-PTFE，TDNG的電流密度進一步提高到443 μA cm^-2，是記錄值（350 μA cm^-2）的1.26倍。最后文章通過一個風力驅動的TDNG被證明可以為955個LEDs和一個溫度傳感器供電，以展示其在溫差環境中有前景的應用。

文獻鏈接：“High performance temperature difference triboelectric nanogenerator”(Nature Commun.，2021，10.1038/s41467-021-25043-2)

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