Nano Energy：湿度对滑动式摩擦纳米发电机性能的影响

近几年摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator, TENG）的相关研究如火如荼。它利用广泛存在的摩擦现象，通过设计微/纳米结构的摩擦表面将机械能高效率地转化为电能。摩擦纳米发电机能将能量密度较低但广泛分布的各种机械能转化为电能利用，在可穿戴智能设备、物联网、自驱动设备等方面具有广阔的应用前景。如果进一步解决大规模实用的问题，还有可能改变现有的能源结构，促进社会和谐发展。现阶段在摩擦纳米发电机的研究中，还存在许多问题需要解决。其中一个重要的问题就是如何提高摩擦纳米发电机在湿度环境中的持久性和稳定性。因为湿度增加会使得接触分离式摩擦纳米发电机的输出信号降低。

有研究表明，提高表面的疏水性可以降低湿度对接触分离式摩擦纳米发电机电学性能的影响。但是疏水表面的摩擦磨损性能与电学性能的相关性尚不明确。本研究借助光刻技术、深反应离子刻蚀技术以及复刻工艺制备出表面带有不同间距圆柱织构的聚合物薄膜，获得具有不同接触角的疏水表面。基于布鲁克摩擦磨损测试仪上搭建的可控湿度环境的摩擦起电实验台（图1），研究了湿度环境中织构间距和法向载荷对滑动式摩擦纳米发电机的摩擦系数、磨损质量、开路电压以及短路电流的影响。本研究的结果为湿度环境中滑动式摩擦纳米发电机的表面设计提供了重要依据。

本研究中与铜箔相对接触运动的摩擦副材料是聚酰亚胺。本文制备了不同周期的织构表面的聚酰亚胺微柱（图2）。接触角测试显示随着间距降低，接触角也随之增大，材料疏水性也逐渐增加。

     光滑聚酰亚胺薄膜与铜箔在不同湿度下的摩擦学测试及对应的电学特性如图3所示。随着湿度增加，摩擦系数呈现先增加后降低的规律。这归因于PI分子链之间相互作用力以及表面水分子吸附层的综合作用导致。聚酰亚胺的磨损质量随着湿度的增加而降低，这是由于吸附在表面的水分子增强了PI表面相邻分子链间的相互作用力。随着湿度的增加，短路电流和开路电压均呈现先增加后降低的趋势，在相对湿度为50%时达到最大值。这是由于当湿度较低时，随着湿度的增加，聚酰亚胺磨损质量降低，导致铜表面净电荷数量增多。但当湿度较高时，聚酰亚胺表面形成了水分子层，增强了表面的电荷耗散，导致短路电流和开路电压降低。该体系的电学特性与摩擦系数有良好的一致性。

  针对间距不同的聚酰亚胺织构表面也做了同样的测试（图4）。结果显示织构间距降低，接触角增加，从而使得摩擦系数、磨损量以及开路电压随湿度的变化量减小，信号更加稳定。进一步在间距为2µm的聚酰亚胺织构表面上改变法向载荷可以发现（图5），增大法向载荷可以提高电学信号的稳定性，但是会增大材料的磨损量，从而降低摩擦纳米发电机的持久性。

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标题:Effect of humidity on tribological properties and electrification performance of sliding mode triboelectric nanogenerator  

作者： Yanqiang Hu, Xiaoli Wang*, Hongkai Li*, Hanqing Li, Zhihao Li

出处:Nano Energy 2020, 71: 104640

DOI:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104640