中國粉體網訊 隨著移動電子產品、可穿戴設備等的飛速發展，人們對便捷、可持續的供電需求日益增長。尤其是電子織物、電子服裝，其發展離不開供電設備的小型化和柔性化。因此，通過壓電、摩擦電、熱電、光電等效應，選擇設計具有微納米結構的材料和器件，收集和存儲環境中未被充分利用的機械、物理等能量為電子設備供電，這種綠色、可持續的納米發電機成為近年來的前沿熱點研究方向之一。
基于摩擦起電效應和靜電感應效應的摩擦納米發電機（TENG），具有電能輸出和能量轉換效率高、成本低、制備簡易等特點，被認為是具有廣闊前景的能源捕獲裝置。
摩擦納米發電機由兩種極性不同的材料組裝而成，其正極材料通常為金屬（如銀、銅、鋁）或金屬氧化物（如氧化鋅、氧化銦錫）。然而，金屬在環境中易被氧化、腐蝕，且金屬氧化物柔韌性欠佳，從而影響到TENG的穩定性及應用領域。因此，具有優良穩定性和可塑性的高分子正極材料開始受到關注，如聚酰胺、纖維素和聚吡咯等。然而，相比金屬正極材料，高分子作為正極材料的TENG的電信號輸出要低得多。因此，亟需提高全高分子基的TENG的電信號輸出。
最近，美國威斯康星大學麥迪遜分校的Shaoqin Sarah Gong教授（通訊作者）、Qifeng Zheng博士和華南理工大學Liming Fang訪問教授（共同第一作者）報道了一種基于高分子氣凝膠的柔性摩擦納米發電機（A-NG）。其正極材料為纖維素（CNF）或殼聚糖（CTS）氣凝膠膜，負極材料為多孔聚二甲基硅氧烷（PDMS）或聚酰亞胺（PI）氣凝膠。相比對應的實心結構電極，氣凝膠電極顯著提高了摩擦納米發電機的輸出功率達11倍。
基于高分子氣凝膠的摩擦納米發電機（A-NG）的示意圖
該論文還比較了高分子氣凝膠電極的材料類型、孔隙率及比表面積等因素對TENG電性能的影響，發現隨著正負電極材料極性差異和孔隙率的提高，A-NG的輸出電壓急劇增加。其中孔隙率為86%的殼聚糖與孔隙率為92%的PI組裝的A-NG，在受到~0.03 MPa壓力的作用下，可輸出60.6V的電壓和7.7μA的電流，其面積功率密度達到2.33W/m2，足以驅動LED等器件或為電容器充電。
不同孔隙率的PI氣凝膠對P-CTS/P-PI A-NGs電壓輸出的影
該工作首次將高分子多孔材料同時用作摩擦納米發電機的正負極，并分析了材料孔隙對TENG電信號輸出的影響機理。在正負電極接觸分離過程中，除了接觸表面產生的正負靜電荷，同時孔表面因為靜電感應效應亦會產生額外電荷，高比表面累計的額外電荷導致正負電極產生更大的感應電勢差，從而顯著提高電信號輸出。另外，該工作通過化學氣相沉積法，對纖維素氣凝膠孔隙表面進行氨基硅烷化改性，提高其正電極性，使得TENG的電信號輸出相比改性前提高了3倍。
基于多孔高分子氣凝膠的A-NG的摩擦發電機理示意圖
該研究利用環保的天然高分子取代昂貴、易腐蝕的金屬作為正極材料，通過改變氣凝膠孔隙率和表面化學改性等簡單方法，調控摩擦納米發電機的電輸出性能，對研發新型電極材料、發展高性能柔性能源捕獲器件有參考價值。
