納米摩擦發(fā)電作為新興的納米能源技術(shù)，被用于機(jī)械能-電能的轉(zhuǎn)換收集。通常，納米摩擦發(fā)電機(jī)（TENGs）在常溫環(huán)境下進(jìn)行應(yīng)用，而在一些極端條件下，例如在火電領(lǐng)域和航空航天領(lǐng)域的高溫環(huán)境服役，TENGs的應(yīng)用仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。TENGs由正極和負(fù)極摩擦材料組成，前者包括金屬，碳和聚合物等，其中一些可以滿足耐火阻燃和熱穩(wěn)定性的要求，而后者主要是聚合物材料，阻礙了TENGs在極端條件下的使用。例如，聚四氟乙烯（PTFE）作為最廣泛使用的摩擦負(fù)電材料，在400℃以上或遇火時會產(chǎn)生劇毒物質(zhì)。另一種常用的摩擦負(fù)電材料，聚二甲基硅氧烷（PDMS），它的使用溫度低于200 ℃。因此，制備具有高溫穩(wěn)定性和阻燃性的摩擦負(fù)電材料對于TENGs在極端條件下的應(yīng)用十分重要。
近期，中國科學(xué)院化學(xué)研究所高分子物理與化學(xué)實驗室趙寧研究員和徐堅研究員課題組以聚對苯撐苯并二噁唑氣凝膠（PBOA）作為摩擦負(fù)電材料用于組裝納米摩擦發(fā)電機(jī)。由于氣凝膠的大孔隙率和高比表面積（圖1），所得TENGs的開路電壓（VOC），短路電流密度（JSC）和電荷密度分別為40 V，2.9 mA m-2和72 μC m-2。不具有孔結(jié)構(gòu)和表面微結(jié)構(gòu)的PBO膜所能產(chǎn)生的電荷密度有限，因而輸出電流和電壓遠(yuǎn)不及PBOA（圖2）。所以高比表面積和高孔隙率有助于靜電電荷的產(chǎn)生和儲存，從而提高TENG的輸出性能。
圖1. PBOA膜（a）的實物照片和（b, c）SEM照片。
圖2.（a, b）PBO膜的SEM照片；PBOA膜和PBO膜組裝TENG的（c）開路電壓和（d）短路電流密度；（e）PBOA膜和（f）PBO膜組裝TENG的摩擦發(fā)電機(jī)制。
為了進(jìn)一步證明PBOA在高溫條件下的潛在應(yīng)用，將其與鋁箔配對以制備高溫用PBOA/Al TENG（圖3）。在350 ℃的高溫下，PBOA/Al TENG仍然可以表現(xiàn)出32 V的VOC，1.2 mA m-2的JSC和32 μC m-2的電荷密度。該裝置可以點亮36個LED燈泡，并在250秒內(nèi)將電容器充電至10 V（圖4）。該裝置同時還可用作自供電，高靈敏度傳感器，用于監(jiān)測人體運動甚至輕微碰撞，脈沖僅為3μN(yùn)s（圖5）。
圖3.（a）PBOA/Al TENG的示意圖。（b）在不同溫度下進(jìn)行的PBOA/Al TENG的開路電壓和（c）電流密度。
圖4.（a）TENG、整流橋和LED燈的電路示意圖。（b）TENGs工作點亮LED燈。（c）TENGs為電容器充電。
圖5. （a）粘接TENG的手指處于伸直和彎曲狀態(tài)。（b）手指伸直和彎曲時產(chǎn)生的電流脈沖信號。（c）5 μL水滴自由下落至TENG上表面，（d）并產(chǎn)生電信號。
由PBOA組裝納米摩擦發(fā)電機(jī)表現(xiàn)在火電領(lǐng)域和航空航天等高溫服役環(huán)境中具有潛在應(yīng)用。相關(guān)研究成果發(fā)表在Nano Energy上。
論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221128551930607X
- 江南大學(xué)付少海/王冬團(tuán)隊 Small：原位礦化生成的雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)殼聚糖復(fù)合氣凝膠用于替代石油基保溫材料 2025-10-27
- 東華大學(xué)朱美芳/成艷華團(tuán)隊 Nat. Commun.：3D打印高透明高隔熱氣凝膠 2025-09-05
- 西工大李炫華教授、馮蕊副教授 AM：太陽能-機(jī)械共生雙模式氣凝膠實現(xiàn)多場景適應(yīng)大氣水收集 2025-09-02
- 北化許海軍教授團(tuán)隊 CEJ: 低成本原位光催化技術(shù)突破摩擦納米發(fā)電機(jī)高性能電極瓶頸 →在疏水性聚合物表面原位生長銀納米顆粒電極 2025-08-07
- 福建理工大學(xué)陳汀杰/彭響方/林肇星 CEJ：分層多孔TPU@CNT海綿通過雙接觸電氣化和自供電傳感應(yīng)用實現(xiàn)高性能摩擦納米發(fā)電機(jī) 2025-08-03
- 青科大超臨界發(fā)泡團(tuán)隊 AFM：通過超臨界發(fā)泡制備自封裝仿生穹頂摩擦納米發(fā)電機(jī) 2025-06-30
