Advanced Functional Materials:高热电荷稳定性的摩擦电聚合物用于收集200°C高温风能

摩擦纳米发电机(TENG)是王中林团队于2012年提出的转换环境机械能为电能的新技术。TENG源于摩擦起电和静电感应的耦合,常选用高表面电荷密度的柔性高分子材料作为摩擦层。但是,在高温下聚合物摩擦起电材料会受热形变性能降低,且由于摩擦起电的热电子发射效应也会导致表面电荷密度降低,使TENG在高温环境中工作十分困难。设计合成高热电荷稳定性的耐高温起电材料可提高TENG的工作温度,解决恶劣环境能量收集难题。

近日,中国科学院北京纳米能源与系统研究所陈翔宇研究员和王中林院士领导的科研团队通过在聚酰亚胺(PI)主链上引入三氟甲基(-CF3)、砜基(-SO2-)等强吸电子基团,并掺杂BaTiO3纳米颗粒提升PI的摩擦起电性和热电荷稳定性。基于改性PI薄膜制作的颤动驱动摩擦纳米发电机(FD-TENG)可在200℃保持32%的输出,为目前报道的具有最高的热电荷稳定性的高分子起电材料。

该工作选择含-CF3和-SO2-等强吸电子基团的单体合成6FDA-TFDB,6FDA-APS薄膜,在分子层面上对摩擦层的摩擦起电性能和热电荷稳定性进行调控。强吸电子基团的引入,能改变薄膜的能带结构,抑制热电子发射效应提升材料的热电荷稳定性。此外,利用纳米颗粒掺杂也是一种增加表面陷阱和界面极化从而提升薄膜热电荷稳定性的有效方法。作者还制备了一系列BaTiO3纳米颗粒原位掺杂的6FDA-TFDB薄膜,通过增加界面极化和电子陷阱来提高表面电荷的电荷密度和电荷稳定性。

图1. 文章示意图和相关材料表征

经过摩擦起电测试发现,含-CF3的6FDA-TFDB可以提供170 μC m-2的摩擦电荷密度(Kapton膜的4倍),并且在摩擦起电系列中比PTFE更负。经过DFT计算发现,引入-CF3和砜基强吸电子基团官能团,使得HOMO-LUMO带隙更大。具有巨大位阻的砜基和-CF3基团也有助于PI分子链构型的偏转,同时强吸电子基团能够增强捕获电子的能力增加PI得负电性。掺杂1%BaTiO3的6FDA-TFDB具有最佳的掺杂效果,纳米颗粒分散均匀没有团聚和聚集,具有最高的表面电荷密度200 µC m-2(近Kapton膜的5倍)。均匀分散得BaTiO3纳米颗粒增强了材料的界面极化和电子陷阱,进一步增加了材料的摩擦起电性能。

图2. 制备的PI薄膜的起电性能测试

基于制备的F-PI薄膜,设计了一种不同的FD-TENG用于收集风能和感知风速。当气流流过非对称的FD-TENG会产生紊流从而推动中间的薄膜振动,与两边的电极进行接触摩擦产生电学输出。通过优化器件结构寻求最佳的器件结构,并利用COMSOL模拟薄膜振动时的电势变化。FD-TENG的电流频率和大小随风速增加而增加,其中频率随风速线性增加可作为风速传感的关键参数。另一方面,电流的大小也随温度的升高而衰减,这也有温度传感的潜力。

图3.器件示意图及优化参数和COMSOL模拟。

由于热电子发射效应,基于6FDA-TFDB薄膜的FD-TENG的输出性能随温度升高而明显衰减。然而,6FDA-TFDB薄膜仍然比PMDA-ODA薄膜更稳定。此外,1% BaTiO3掺杂的6FDA-TFDB薄膜制备的FD-TENG具有最大的输出电流和最小的衰减程度,并且其在在高温下具有最大的归一化电流。在200 °C下,该器件仍可保持0.7 µA(32%归一化电流)的输出电流,仍可点亮10个LED灯。

图4. FD-TENG的高温输出性能

通过改变单体在主链中引入强吸电子基团,合成了2种F-PI薄膜。其中6FDA-TFDB薄膜具有较大的LUMO-HOMO带隙以包含更稳定的电子转移局部态,其电荷密度可达170 µC m-2(Kapton的4倍)。此外,通过掺杂增加界面处的电子深陷阱和界面极化,制备了BaTiO3/6FDA-TFDB薄膜以进一步提高电荷密度(高达200 µC m-2)和电荷热稳定性。基于F-PI薄膜,非对称FD-TENG设计用于收集风能和感测风速。FD-TENG不仅可以通过薄膜振动的频率来检测风速,还可以通过输出电流的大小来检测工作温度。此外,基于1% BaTiO3/6FDA-TFDB的FD-TENG在200 °C时仍能保持其输出性能的32%,这是摩擦起电聚合物报告的最高热电荷稳定性。因此,这种FD-TENG有潜力在高温下用作自供电传感器,如热蒸汽和热风洞。同时,该工作也为从材料方面提高TENG的工作温度提供了策略。

论文信息:

Triboelectric Polymer with High Thermal Charge Stability for Harvesting Energy from 200 °C Flowing Air

Xinglin Tao, Shuyao Li, Yuxiang Shi, Xingling Wang, Jingwen Tian, Zhaoqi Liu, Peng Yang, Xiangyu Chen*, Zhong Lin Wang

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202106082

原文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202106082