高输出摩擦纳米发电机的介绍

TENG典型的工作模式为垂直接触分离式，其由两层背面镀有电极的高聚物摩擦层组成［129-130］，在垂直外力作用下，聚合物发生周期性分离，从而在外电路产生交替电流。其制备流程如下。

（1）分别在碱刻蚀PVDF/聚二甲基硅氧烷（PDMS）复合纤维膜和酸刻蚀十八烷基异氰酸酯（18C）—PAN/聚酰胺6（PA6）复合纤维膜背面附着铜电极。

（2）选用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作为硬支撑平板，硅胶板作为软支撑平板，首先将两层复合纤维膜固定在硅胶板上，其中具有弹性的硅胶板在挤压过程中起缓冲作用，促使两层纤维膜紧密接触，再将硅胶板固定在PMMA板上。

（3）在上下摩擦层中间固定弹性海绵形成一定工作距离，从而得到基于复合纳米纤维膜的TENG（NM-TENG），其结构如图11-48（a）所示。

图11-48（b）是NM-TENG的工作原理图。第一步，由于接触摩擦，PVDF/PDMS纳米纤维和PAN/PA6纳米纤维分别带有电量相等的负电荷和正电荷［131］，而在相应摩擦材料背面的金属电极上感应出相应的异种电荷。第二步，在外力挤压作用下，两层纳米纤维逐渐靠近，表面电荷逐渐被屏蔽，使电极中的感应电荷减少，两个电极间的电势差逐渐降低，电子通过外电路从下表面电极流入上表面电极。第三步，当PVDF/PDMS纳米纤维和PAN/PA6纳米纤维接触时，摩擦电荷几乎完全屏蔽，此时处于静电平衡状态。第四步，当形变释放，两层高聚物分离，电荷屏蔽作用减弱，而使电极中的感应电荷增加，两个电极间的电势差逐渐提高，电子通过外电路从上表面电极流入下表面电极，在周期性外力作用下，会输出交流电。NM-TENG通过这样的工作机制可有效收集自然界广泛存在的机械能，为电子器件提供源源不断的绿色能源。

图11-48　（a）NM-TENG的结构示意图；（b）NM-TENG的发电原理示意图(www.xing528.com)

纳米纤维膜微/纳多级粗糙表面具有较大的有效摩擦起电面积，从而可以促进摩擦起电效应以提升设备的输出性能。图11-49（a）是PVDF/PDMS复合纤维膜的制备流程和相应SEM图。PVDF纳米纤维热稳定性好、孔结构可控且具有较强的疏水性和优良的摩擦电负性，但其机械性能较差，通过使用PDMS对其进行涂层改性可有效增强纤维膜的机械性能［132］，同时利用NaOH对复合纤维膜进行刻蚀处理可引入更多二级纳米结构，进一步提升有效接触面积。碱刻蚀PVDF/PDMS复合纤维膜构成的TENG与未处理纤维膜构成的TENG相比具有更高的电输出性能。可能原因在于：一方面，经过PDMS表面涂覆的PVDF纤维膜表面依旧保留明显的纳米纤维粗糙结构，但是纤维间堆积变得致密，有效增加了摩擦层之间的接触面积；另一方面，经过NaOH处理后，PDMS分子链中非极性键Si—CH3部分转化成极性键Si—O，增加了纤维膜的负电荷密度，从而提高了TENG的电输出性能［133］。此外，酸刻蚀18C-PAN/PA6复合纤维膜是一种优良的摩擦电正性材料，其制备流程如图11-49（b）所示，在PAN纳米纤维膜表面涂覆PA6溶液以提高膜的机械性能，然后用HCl溶液刻蚀以引入更多二级纳米结构，最后再用18C对其进行化学改性以提高表面疏水性来适应环境湿度变化。此外，PA6分子链中含有酰胺键，在摩擦过程中更易获得正电荷［134-135］，因此，经过PA6涂覆后的纤维膜具有更高的电输出性能。

图11-49　（a）电负性复合纤维膜的制备流程示意图及SEM图，插图为纤维膜水接触角的光学照片；（b）电正性复合纤维膜的制备流程示意图及SEM图，插图为纤维膜的水接触角的光学照片

功率密度和稳定性是衡量TENG性能的两个重要指标。如图11-50（a）和（b）所示，随着电路中负载电阻的提高，电流逐渐降低，电压逐渐增加，当负载电阻达到0.5MΩ时，NM-TENG的瞬时输出功率密度达到最大为14.8W/m2。为探究NM-TENG的稳定性，通过施加5Hz外力进行持续测试，结果如图11-50（c）所示，NM-TENG在连续工作6000次后，其短路电流基本保持不变，证明NM-TENG具有优良的电输出稳定性。

此外，还研究了NM-TENG在人类正常运动（例如，手掌击打，人行走或脚踏）时收集人体机械能的能力。如图11-50（d）和（e）所示，NM-TENG可有效收集人体的机械能，其中开路电压和短路电流可分别达到540V和110μA，相应输出电量可达到280nC。此外，为了量化NM-TENG的生物机械能量捕获能力，采用一个47μF的商业电容器来进行测试，在手掌击打条件下电容器在4.7s内充了2.86μC的电量［图11-50（f）］，充电曲线显示NM-TENG可持续充电且充电速率较快［136］。