“袋装”让摩擦纳米发电机不再“惧怕”湿气

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摩擦纳米发电机作为材料领域新兴功能器件的出现，使得日常生活中随处可见的微机械能成为继太阳能、风能、地热能、潮汐能等新能源之外的又一种可持续绿色清洁能源。随着对纳米发电机功能材料性能、器件结构优化/设计等研究的不断深入，纳米发电机的转化效率、输出电压等综合性能得以不断提升。但是，目前纳米发电机器件在湿气氛围中的工作性能稳定性仍是制约其应用范围的瓶颈问题之一。

近日，韩国庆熙大学（Kyung Hee University）Jae Su Yu教授研究团队以软压印微纳结构化的聚二甲基硅氧烷（NA-PDMS）、多壁碳纳米管（MWCNT）/尼龙66复合材料为功能性摩擦电材料并结合表面聚乙烯（PE）封装，简便构筑了在湿度范围30~80% 内具有优异高输出性能的新型摩擦纳米发电机（DD-TENG）。

新型摩擦纳米发电机制备过程示意图。图片来源：Adv. Funct. Mater.

其中，NA-PDMS材料的制备基于复制水热法微纳结构化的Al模板。对比研究表明，具有复合纳米结构的NA-PDMS材料的摩擦纳米发电机器件，输出电压要明显高于光滑PDMS基底的摩擦纳米发电机。

DD-TENG工作原理及基底形貌对器件输出电压的影响考察。图片来源：Adv. Funct. Mater.

同时，尼龙66中MWCNT的掺杂量对DD-TENG器件的输出（电压、电流）性能具有重要的影响；系统测试表明MWCNT最优掺杂量为0.3 wt%，DD-TENG器件输出电压、输出电流分别为（2~3 N，5 Hz）；此外，DD-TENG器件的输出电压、输出电流随施加压力和频率可调。

材料体系设计及其器件输出性能测试。图片来源：Adv. Funct. Mater.

DD-TENG器件的有效输出功率密度对其后续应用开展具有重要影响；测试显示该新型DD-TENG器件其负载电阻为10⁹ Ω时其输出电压高达约400 V，负载电阻为10² Ω时其输出电流最大值为23 µA，60 MΩ负载电阻器件最大输出功率密度为约18.15 W m^-2 （2~3 N）或约25.35 W m^-2（8~10 N）。这种DD-TENG器件还展现出优异的输出电压长时间（约40 min）循环测试（约12000次）稳定性。