1、研究背景
鑒于日益增強的環保意識與科技的進步，可持續材料在新能源、生物醫學材料及可穿戴設備領域發揮著至關重要的作用。紙張因其卓越的生物降解性和低廉的成本而備受矚目。自2012年摩擦電納米發電機 (TENGs) 問世以來，其獨特的發電方式與紙張材料高度契合，推動了紙基摩擦電材料的顯著發展。然而，這類材料本身缺乏高效的電荷存儲結構，導致電荷在摩擦層表面累積時易發生泄漏或耗散。
2、文章概述
近日，王雙飛院士團隊開發了一種具有深層陷阱的紙基摩擦電材料，實現了高效的電荷存儲。與純纖維素紙相比，該材料的深層陷阱密度提高了約54倍。基于該材料的TENG峰值輸出功率密度比純纖維素紙基TENG高出約45倍，20,000次循環后仍能維持約136 V的穩定電壓。該成果以"Efficient Output and Stability Triboelectric Materials Enabled by High Deep Trap Density"為題發表在《Nano Letters》期刊上。2022級碩士研究生張雅琪為本文第一作者，段青山博士和梁東武副研究員為通訊作者，何娟霞博士、高宇教授、許貝、栗劍鋒、劉坤博士、聶雙喜教授參與研究。
3、文章導讀
3.1.紙基摩擦電材料中深層陷阱的構筑策略
本研究通過氫鍵組裝策略（HBA）開發了一種利用深層陷阱實現高效電荷儲存的紙基摩擦電材料。首先，SiO2與纖維素濾紙通過氫鍵相互作用形成穩定的基底。然后，Ti3C2Tx薄片沿平面方向排列在SiO2納米顆粒上。Ti3C2Tx的高效電子傳遞效應有利于電荷的有效傳輸。SiO2通過懸掛鍵/不飽和鍵或不飽和氧化作用誘導表面缺陷，促進生成使載流子得以駐留的深層陷阱，進而對Ti3C2Tx傳輸到材料內部的摩擦電荷進行高效捕獲。
3.2.驗證SiO2引入的結構陷阱
通過TS-CFP的FTIR可發現自組裝系統內部存在大量氫鍵。SiO2引入的結構陷阱導致纖維素內部發生電荷重組，改變晶體結構內應力，引起晶格收縮、晶面間距減小，增加衍射角；同時，破壞纖維素分子之間的有序排列，降低其結晶度。另外，陷阱改變了局部應力和電荷分布使得Raman光譜中相關特征峰藍移；陷阱引起的散射光子能量分布的擴大導致150~400 cm?1處特征峰的展寬，且陷阱導致的鍵合能波動導致了XPS新峰的出現。此外，由于其電子相互作用被氫鍵所改變而造成晶格膨脹，Ti3C2Tx晶格條紋間距增大，抑制了Ti3C2Tx納米片團聚，促進電荷傳輸通道的形成，有利于電荷進入材料內部然后被陷阱捕獲。上述證據表明，通過成功實施 HBA 策略，TS-CFP自組裝體系的結構穩定性得到了顯著增強，并且在其內部有效地構建了陷阱。
3.3.TS-CFP中摩擦電荷的耗散與存儲性能
與純纖維素相比，該摩擦電材料具有較低的電荷耗散率，淺層與深層陷阱密度分別提高了約15倍和54倍，表明 TS-CFP 自組裝系統中存在更多此類陷阱。當摩擦電荷從表面移動到材料中時，它們可能會遇到陷阱并被捕獲，從而阻礙其原始路徑。相較于淺層陷阱，深層陷阱具有更高的陷阱能級 (0.87 eV)；這意味著當電荷試圖從深層陷阱中逃離時，必須克服一個更大的勢壘，因此電荷被捕獲并維持在陷阱中的時間得以延長，從而減少了耗散。此外，該摩擦電材料表現出良好的介電性能與較大的表面電勢，進一步驗證了深層陷阱在提升電荷儲存能力的有效性。
3.4.紙基摩擦電材料的摩擦電輸出特性
與純纖維素基TENG相比，基于該材料的TENG在2 Hz下的電荷密度、短路電流和開路電壓分別提高了574%、545%和368%，峰值輸出功率密度提高了約45倍。SiO2含量對開路電壓具有雙重影響：適量時通過增加深層陷阱密度提升電荷存儲能力，過量時則通過削弱駐極體效應和提高電導率加劇電荷耗散，從而呈現出先升后降的變化趨勢。而且，該TENG在20,000次循環后仍能保持約136 V的穩定電壓，具有良好的穩定性和作為自供電電源的潛力。
3.5.極端氣候下的紙基TENG
由于深層陷阱能夠捕獲紫外線輻射產生的光生載流子和熱激發產生的電荷載流子，該紙基TENG在暴露于紫外線和高溫條件下長達12 h后，其電壓分別只降低了14%和6%，具有優異的穩定性。同時，TENG的快速響應-恢復時間以及電壓與濕度之間的高度線性關系，表明其有望應用于實時濕度監測。以上試驗表明，該紙基TENG在惡劣天氣條件下能保持正常功能，具有良好的應用潛力。
4、結論
利用纖維素濾紙、Ti3C2Tx和SiO2成功設計了一種具有深層陷阱的紙基摩擦電材料。該材料能夠高效地將摩擦電荷傳輸至其內部，并將它們牢牢捕獲在深層陷阱中而防止耗散。基于該材料的TENG展現出了卓越的穩定性和實用性，為紙基摩擦電材料的進一步發展奠定了堅實的基礎。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c05154