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含氟聚合物轉(zhuǎn)移印刷圖案化，制備高效摩擦納米發(fā)電機(jī)

來(lái)源: X-MOL 2017-06-15 11:43:29

目前，太陽(yáng)能、風(fēng)能、水力發(fā)電等已經(jīng)是被人們廣泛認(rèn)知和開發(fā)利用的清潔能源。但是，風(fēng)能、水力發(fā)電對(duì)地域和環(huán)境條件的要求比較苛刻；而太陽(yáng)能的開發(fā)和利用率則受天氣和季節(jié)的影響比較大。摩擦生電，作為一種幾乎人人皆知的現(xiàn)象，普遍存在于人們的各個(gè)生活領(lǐng)域。而基于納米能源與壓電電子學(xué)理論而研發(fā)出來(lái)的摩擦納米發(fā)電機(jī)（triboelectric nanogenerators，TENG），讓摩擦發(fā)電這一普遍存在性能源技術(shù)的有效利用成為可能。TENG的能源來(lái)源非常廣泛，包括人體運(yùn)動(dòng)、海水的潮汐運(yùn)動(dòng)、微弱風(fēng)能、水能以及微小的震動(dòng)等都可以產(chǎn)生微納能量。而研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，帶有微納結(jié)構(gòu)形貌的材料表面其摩擦生電效率可以提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這為高效TENG的設(shè)計(jì)、開發(fā)提供了方向。

近日，韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院（KAIST）的Jin-Baek Kim和韓國(guó)中央大學(xué)（Chung-Ang University）的Sangmin Lee等科學(xué)家，從TENG材料選擇和表面微納形貌構(gòu)筑兩方面入手構(gòu)筑了高效的摩擦納米發(fā)電機(jī)。研究團(tuán)隊(duì)選用了含氟甲基丙烯酸酯聚合物（poly(1H,1H,2H,2H-perfluorodecyl methacrylate)，PFDMA）為摩擦材料，采用轉(zhuǎn)移印刷（transfer printing）技術(shù)構(gòu)筑PFDMA表面規(guī)整超疏水微納形貌，同時(shí)保持了圖案化PFDMA構(gòu)件較高的透明性和可轉(zhuǎn)移性。

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)PFDMA-TENG的摩擦發(fā)電輸出性能進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試。結(jié)果表明，PFDMA-TENG器件其開路電壓（VOC）、閉路電流（ICC）隨著PFDMA表面微米棒陣列的高度增加呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，最優(yōu)輸出電壓和輸出電流分別為68 V和6.68 μA。輸出功率依賴于外加負(fù)載電阻，當(dāng)負(fù)載電阻為500 MΩ，輸出功率達(dá)到150 μW。該結(jié)果表明PFDMA能夠?qū)崿F(xiàn)表面電荷密度和表面形貌的簡(jiǎn)便調(diào)節(jié)，是構(gòu)筑具有高效摩擦生電輸出效率TENG器件的優(yōu)異材料。

此外，基于含氟聚合物的低表面能特性，PFDMA展現(xiàn)出優(yōu)異的疏水性能。其平面結(jié)構(gòu)PFDMA水接觸角為117.7°，而隨著表面微納結(jié)構(gòu)陣列的引入及陣列高度的增加其疏水性逐步增加。當(dāng)微米棒陣列高度達(dá)到20 μm時(shí)，PFDMA表面達(dá)到超疏水狀態(tài)（水接觸角155.0°）。

TENG表面的潤(rùn)濕性能對(duì)于液-固接觸應(yīng)用模式下器件的電學(xué)性能有著重要影響。因此，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步對(duì)PFDMA-TENG液-固接觸模式下的應(yīng)用性能進(jìn)行了考察。水流速度1.25 ml/s條件下，表面無(wú)微納結(jié)構(gòu)PFDMA-TENG幾乎無(wú)輸出電壓，且電壓較低；微陣列高度為5 μm、10 μm的PFDMA-TENGs輸出電壓由于其表面疏水性不充分，導(dǎo)致輸出電壓較高，但不規(guī)律；而微陣列高度為20 μm時(shí)，其表面的超疏水特性保證了其高輸出電壓（4V）的穩(wěn)定性。

——總結(jié)——

該研究通過(guò)應(yīng)用新型含氟材料并結(jié)合材料表面微納形貌的簡(jiǎn)便可控構(gòu)筑，制備了具有高效輸出效率的摩擦納米發(fā)電機(jī)PFDMA-TENG。同時(shí)，基于PFDMA-TENG的高透明性，以及隨著PFDMA表面粗糙度的增加其疏水性和PFDMA-TENG輸出電壓同步提升的特點(diǎn)，該器件有望進(jìn)一步結(jié)合太陽(yáng)能電池、人造樹葉等構(gòu)筑復(fù)合能量收集系統(tǒng)。隨著納米能源領(lǐng)域研究的不斷深入，我們期待摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）的發(fā)展能夠提供更多持續(xù)的清潔能源。

材料學(xué)

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