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[原创]一种具有超高转移电荷密度的仿生纳米纤维基摩擦纳米发电机（2018-07-27 15:32:13）

标签：能源环境 静电纺丝  

近日，东华大学蒙泰课题组俞昊教授（通讯作者）在Nano Energy上发表了题为“A Biomimetic Nanofiber-Based Triboelectric Nanogenerator with an Ultrahigh Transfer Charge Density”的文章，文章第一作者为博士生俞彬。研究人员受到一种水生植物茎结构的启发，成功制备出了具有大量内部微孔结构和外部纳米纤维结构的聚偏氟乙烯静电纺纤维毡布，并组装得到具有超高转移电荷密度的仿生纳米纤维基摩擦纳米发电机（BN-TENG）。得益于摩擦材料的多级纳米结构，此摩擦纳米发电机在各项电学性能上均获得了显著增强,并经过理论计算，研究并验证了摩擦纳米发电机在高表面电势下的空气击穿问题。其在100MΩ负载下的输出电压高达1000V，短路电流达到了51mA/m2，此外，此摩擦纳米发电机的转移电荷密度达到了突破性的364μC/m2，是目前所见报道的在大气环境中的超高测量值，被审稿人誉为该领域的重大突破。此外，研究人员利用能源管理技术，使输出能量可直接驱动多种小型电子设备，如电子计算器、电子温湿度计、红外线遥控器等，并且可为锂电池充电。

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图1 仿生纳米纤维的形貌表征及其所组装的摩擦纳米发电机(BN-TENG)。a) 蜂窝状模具冷压处理仿生纳米纤维毡布；b-d)“书型”结构接触-分离式BN-TENG的示意图和实物照片；e-g)仿生纳米纤维的微观形貌表征。

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图2 仿生纳米纤维基摩擦纳米发电机的电能输出机理及其各项电学性能表征。a, b)BN-TENG的电能输出机理；c, d)BN-TENG在100MΩ负载的电压和短路电流； e) 不同制备条件所得BN-TENG的转移电荷密度对比；f, g) BN-TENG在不同负载下的电压、电流和功率。

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图3 仿生纳米纤维基摩擦纳米发电机的输出增强机理图。a-d)通过控制静电纺丝过程的参数，得到不同内部微观形貌的纳米纤维，对BN-TENG的输出性能提升产生不同效果；其中ii, iii）为纳米纤维的截面电镜和透射电镜照片。e,f)蜂窝状模具冷压后处理对BN-TENG的增强机理示意图。模具冷压处理后，纳米纤维内部的电荷耗散效应得到抑制，由于内部电荷的诱导，使更多的电荷被保持在表面，从而提高了摩擦面的表面电荷密度。

利用简单高效的方法，所制备的仿生纳米纤维基摩擦纳米发电机在输出电压、短路电路、负载功率和转移电荷密度等性能上均具有出色的表现，在很大程度上拓展了接触-分离式摩擦纳米发电机的应用空间。同时，研究人员从理论研究的角度，验证和解决了高表面电荷密度下摩擦纳米发电机的空气击穿问题。同时通过能源管理，研究人员实现了摩擦电小型电子设备的直接驱动和锂电池稳定充电，为摩擦纳米发电机的广泛应用提供了更多的可行性方案。

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文章来源：易丝帮