摩擦電納米發(fā)電機(jī)（TENG），是通過表面靜電充電和靜電感應(yīng)效應(yīng)相結(jié)合將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的可持續(xù)能量轉(zhuǎn)換手段。TENG與微電子機(jī)械系統(tǒng)靜電發(fā)電機(jī)類似，不同之處在于TENG不由外部電壓充電，其電荷來源是兩種材料接觸和分離時(shí)形成的表面電荷。為提高TENG性能，需要選擇合適的材料組合?？梢詤⒖寄Σ岭娦颍樵兡巢牧吓c不同材料接觸時(shí)帶正電或負(fù)電的趨勢。摩擦電序頂部材料與底部的材料接觸，則可以產(chǎn)生最高的凈表面電荷。然而摩擦電序是經(jīng)驗(yàn)性結(jié)論，不同實(shí)驗(yàn)間也存在差異。其他增加凈靜電表面電荷的方法則是改變材料的表面化學(xué)性質(zhì)或通過納米結(jié)構(gòu)增加兩個(gè)表面之間的接觸面積。
成果簡介
近日，拉脫維亞里加工業(yè)大學(xué)Andris ?utka教授（通訊作者）團(tuán)隊(duì)報(bào)道了研究鐵電聚合物膜摩擦電納米發(fā)電機(jī)性能增強(qiáng)機(jī)制，并利用反向極化鐵電薄膜實(shí)現(xiàn)高性能類摩擦電發(fā)電機(jī)的工作。該研究發(fā)表于Energy ＆ Environmental Science，題為“Inversely polarised ferroelectric polymer contact electrodes for triboelectric－like generators from identical materials”。人們普遍認(rèn)為鐵電聚合物膜TENG性能的提高是因?yàn)殍F電聚合物絕緣體“有效功函數(shù)”的調(diào)制反過來也增強(qiáng)了TENG電極間的電荷轉(zhuǎn)移。該研究在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了以上理論是錯(cuò)誤的，Andris ?utka教授團(tuán)隊(duì)觀察到鐵電聚合物膜TENG性能的增強(qiáng)源于壓電電荷的驅(qū)動(dòng)作用。通過使PDMS和極化的聚偏二氟乙烯（PVDF）相接觸，Andris ?utka教授團(tuán)隊(duì)觀察到該TENG的輸出電壓明顯高于基于PDMS和非極化PVDF的TENG的輸出電壓。并且，使相對的TENG電極層接觸相同但反向偏振的PVDF膜時(shí)，可以觀察到更高的輸出電壓。進(jìn)而，該工作實(shí)現(xiàn)了利用反向極化的聚偏乙烯薄膜構(gòu)建新型壓電靜電發(fā)生器（PEEG），新型PEEG表現(xiàn)出比TENG更好的機(jī)械能電能轉(zhuǎn)換性能。
圖文導(dǎo)讀
圖1． PVDF膜制備與表征
（a）．摩擦力發(fā)電器件的高孔隙PVDF接觸層的制備過程示意圖。
（b， c）．用甲醇作為反溶劑進(jìn)行浸漬沉淀而獲得的PVDF膜的SEM圖像和AFM圖像。
（d）．50cm2 PVDF樣品照片。
（e）．PVDF中偶極取向示意圖。
（f）．1220cm－1至1300cm－1（上）和740cm－1至850cm－1（下）的非極化PVDF，100℃熱處理非極化PVDF，PVDF “＋”和PVDF “－”衰減全反射傅立葉紅外光譜（ATR－FITR）。
圖2． 基于PVDF“＋”的TENG和PEEG性能測試
（a， b）． 在摩擦電和壓電模式下（兩種模式如插圖中的示意圖所示）測量的極化和非極化PVDF的平均輸出電壓和短路峰值電流。
（c， e）．基于PVDF “＋”的TENG的電壓和電流。
（d， f）． 基于PVDF “＋”的PEEG的電壓和電流。
圖3．壓電靜電發(fā)電機(jī)的工作機(jī)制
圖4． 基于PVDF的TENG性能和基于反向極化PVDF的PEEG原理
（a）．基于PVDF的TENG平均輸出電壓和短路峰值。
（b）．基于反向極化PVDF層的PEEG的工作原理示意圖。
圖5． 基于PVDF的PEEG性能測試
（a， b）．非接觸模式與接觸模式測量切換時(shí)，PDMS與非極化PVDF復(fù)合結(jié)構(gòu)的輸出電壓和電流。
（c， d）．非接觸模式與接觸模式測量切換時(shí)，極化PVDF “＋”與PVDF “－”復(fù)合結(jié)構(gòu)的輸出電壓和電流。
小結(jié)
基于鐵電聚合物膜的摩擦電納米發(fā)電機(jī)（TENG）裝置的高性能源自壓電電荷的靜電感應(yīng)作用，而不是如之前所報(bào)道的是由于接觸層之間的電子轉(zhuǎn)移而增強(qiáng)。以該機(jī)制為出發(fā)點(diǎn)，可以構(gòu)建基于相同材料的反向極化鐵電聚合物膜的高效類TENG壓電靜電發(fā)生器（PEEG）。該工作中所提出的能量收集設(shè)備在自供電裝置中具有很大的應(yīng)用前景。
