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  隨著可穿戴電子設備、傳感器網(wǎng)絡及不斷擴大的物聯(lián)網(wǎng)（IOT）的快速發(fā)展，尋找清潔、可再生能源成為現(xiàn)代社會提供動力的重點。利用靜電感應和電荷耦合作用，摩擦納米發(fā)電機 （TENG）可收集日常生活環(huán)境中無處不在的機械能，具有材料可用性廣、重量輕、成本低、低頻轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點，從而為清潔能源提供了新思路。由于TENG輸出能量和表面電荷密度有關(guān)，很多關(guān)于提高表面電荷密度的方法已被廣泛報道，例如增大有效接觸面積、人工離子注入等。然而，從材料角度出發(fā)進一步改善TENG 的輸出性能，以適應不同的應用需求是當前亟待解決的關(guān)鍵問題。在摩擦層與電極間嵌入中間介質(zhì)層是優(yōu)化摩擦材料電荷存儲、抑制電荷衰減的有效策略之一。然而，對這一領(lǐng)域的研究依然有限，其工作機理、介質(zhì)層材料性質(zhì)以及其是否具有普適性仍不得而知。

  為深入分析中間介質(zhì)層的工作機理和對TENG性能的影響，東華大學俞昊教授團隊在摩擦層與電極間嵌入不同的介質(zhì)層，包括聚酰亞胺(PI)、聚丙烯(PP)、尼龍(PA) 、聚乙烯(PE)、聚四氟乙烯(PTFE)、硅橡膠(Silicone rubber)和聚甲醛(POM)等材料，實驗表明不同中間介質(zhì)層對TENG輸出性能的提高程度是不同的，其中添加PI介質(zhì)層時輸出電壓達到最大1200 V, 與無介質(zhì)層結(jié)構(gòu)相比提高了380 %。由于中間介質(zhì)層的加入改變了上層摩擦材料的電荷捕獲和存儲性能，為了解電荷捕獲如何影響TENG器件的輸出性能，該團隊采用等溫表面電位衰減(ISPD)模型計算了各介質(zhì)層的電荷陷阱分布特性。每個介質(zhì)層表現(xiàn)出不同的初始表面電勢和表面電勢衰減特性，其中PI層的初始表面電勢最大（絕對值，下同），衰減速率最慢，而POM層的初始負表面勢最小，衰減速率最快，這些特性與相應TENG的輸出性能一致。因此為中間介質(zhì)層TENG如何提高輸出性能提供了理論基礎。

圖1 (a)含有介質(zhì)層TENG的工作原理。（b）不同介質(zhì)層PI, PP, PA, PE, PTFE,POM 和硅橡膠下TENG的電壓輸出。（c）計算了不同介質(zhì)層的總電荷阱陷阱能量分布。

  此外，該團隊證明了當在摩擦材料下加入介質(zhì)層時，增強的TENG輸出與摩擦層材料的體積導電率有關(guān)，而與摩擦材料的電負性或表面結(jié)構(gòu)無關(guān)。當PI作為介質(zhì)層分別添加到PTFE(電負性)和TPU (電正性)之下時，TENG的輸出均有顯著的提高；而添加不同含量的MWCNTs調(diào)控TPU體積電導率，TENG的輸出隨著體積電導率的提高先增加后減少，因此，摩擦材料的體積電導率顯著影響電荷存儲的深度和TENG輸出性能提高的程度。這就為利用陷阱分布理論與電導率協(xié)同制備高性能的中間層增強的TENG提供了更優(yōu)化的設計策略。最后，研究團隊將最優(yōu)的TENG制作為智能鞋底，應用于老年人或病人的緊急跌倒監(jiān)測警報系統(tǒng)，探索了其在可穿戴及智能家居領(lǐng)域的應用。

圖2（a）TPU-PTFE, TPU-PTFE@PI, TPU@PI-PTFE, TPU@PI-PTFE@PI的電壓輸出。（b）TPU@PI-PTFE@PI的長時間電壓性能。(c) 不同MWCNT含量的TPU薄膜在含有PI介質(zhì)層和無PI介質(zhì)層的電壓輸出。（d）紅線為添加PI的TPU和不添加PI的TPU的輸出電壓提高百分比，藍線為不同MWCNT用量下TPU/MWCNTs的體積電導率。

圖3  TENG智能鞋可以作為一種可穿戴設備，用于遠程監(jiān)測行走狀態(tài)，也可以作為一個遠程緊急呼叫微系統(tǒng)，用于摔倒檢測。

  以上研究成果發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces上。論文的第一作者為東華大學材料學院博士生呂莎莎，通訊作者為俞昊教授和黃濤博士。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsami.0c18243