通过优化聚二甲基硅氧烷/CaCu3Ti4O12基摩擦纳米发电机的电荷行为实现理论输出电荷密度的87%

本研究针对摩擦纳米发电机(TENG)输出电荷密度(σout)受多因素制约的难题，通过系统调控陷阱态密度(Nt(E))、相对介电常数(εr)、漏电流密度(Jleak)、介电损耗(tanδ)等电荷行为参数，结合外部电荷激励策略，使PDMS/CCTO基ECE-TENG的σout达到理论值的87%，并成功驱动光热调控系统，为物联网微能源供应提供了新方案。

　　

在物联网技术飞速发展的今天，数以亿计的传感器节点如何实现高效、可持续的供电，成为制约其大规模应用的关键瓶颈。传统的集中式电网供电方式难以满足分布式、灵活布局的物联网设备需求，而环境中广泛存在的高熵机械能（如人体运动、风力、振动等）恰好为解决这一难题提供了潜在途径。在众多能量收集技术中，摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator, TENG）因其成本低、材料选择丰富、低频输出性能优异等优势，被视为收集环境机械能、实现物联网节点自供电的理想技术之一。然而，TENG的输出性能（特别是输出电荷密度σ_out）仍有待提升，这严重限制了其作为独立电源的大规模商业化应用。

以往的研究多聚焦于单一参数（如材料介电常数、表面形貌等）的优化，往往忽视了电荷行为（包括电荷的产生、存储和耗散）中多个关键因素之间的相互制约与协同作用。为了突破这一局限，研究人员在《Research》上发表的最新研究中，以聚二甲基硅氧烷/钛酸铜钙（PDMS/CaCu₃Ti₄O₁₂, PDMS/CCTO）复合材料为摩擦介电层，系统探索了陷阱态密度（N_t(E)）、相对介电常数（ε_r）、漏电流密度（J_leak）、介电损耗（tanδ）以及有效功函数（W_eff）等多参数耦合对TENG输出性能的影响机制，并成功将外部电荷激励TENG（ECE-TENG）的输出电荷密度提升至理论最大值的87%，创下该领域的新纪录。

为开展本研究，团队首先采用旋涂法制备了不同CCTO含量的PDMS/CCTO复合薄膜，并通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、原子力显微镜（AFM）等表征手段系统分析了其微观结构、表面粗糙度及介电性能。利用开尔文探针力显微镜（KPFM）测量了薄膜的接触电位差（CPD）并推导出其有效功函数；基于等温表面电位衰减曲线计算了陷阱态能级分布；通过阻抗分析仪和高压放大器分别测试了薄膜的介电常数、介电损耗和漏电流特性。在器件层面，构建了接触分离式TENG（CS-TENG）和外部电荷激励TENG（ECE-TENG），系统评估了其输出电荷密度（σ_out）、短路电流密度（J_SC）和开路电压（V_OC）等关键参数。最后，将优化后的ECE-TENG与电致变色薄膜结合，搭建了室内光热调控系统（ILTRS），验证了其实际应用潜力。

研究概述

本研究从电荷产生、存储和耗散三个路径出发，系统探讨了多参数耦合对TENG输出性能的协同调控机制。通过优化PDMS/CCTO复合膜的介电性能与表面特性，并结合外部电荷激励策略，显著提升了ECE-TENG的输出电荷密度。

PDMS/CCTO复合膜的表征

随着CCTO含量的增加，复合膜的相对介电常数（ε_r）从2.7显著提升至5.18，但同时介电损耗（tanδ）和漏电流密度（J_leak）也随之上升。表面粗糙度分析表明，CCTO的引入增大了膜层表面起伏，有利于提高有效接触面积。微观结构显示CCTO颗粒在PDMS基质中分散均匀，元素分布证实其高质量结晶特性。

CS-TENG的输出性能

CS-TENG的输出性能随CCTO含量增加呈先升后降趋势。当CCTO含量为15 wt%时，σ_out达到45 μC m^?2，但仍仅为理论值的17%。进一步通过离子注入实验证明，该差距主要源于复合膜自身摩擦起电能力不足，无法提供足够的表面电荷。

ECE-TENG的输出性能

通过引入外部电荷激励策略，ECE-TENG有效克服了接触起电的限制。当采用PDMS/CCTO-15 wt%作为摩擦层时，σ_out提升至225 μC m^?2，达理论值的83%。动态电荷密度曲线显示电荷耗散率（v_dis）受陷阱态密度、漏电流和介电损耗共同影响。在优化外部电容（C_ex=22 nF）和工作频率（f=3 Hz）后，σ_out进一步提升至236 μC m^?2（理论值的87%），相应功率密度达6 W m^?2，且具备良好的耐久性。

ILTRS的演示

基于优化后的ECE-TENG，研究人员构建了室内光热调控系统（ILTRS）。实验表明，电致变色膜在405、523和635 nm波长下的不透明度与透光率分别高于62%和87%，且能在0.1秒内快速切换状态。在模拟太阳光照射下，电致变色膜不透明状态可使室内温度较透明状态低16°C，展现出优异的节能调控能力。

本研究通过系统揭示多因素协同调控TENG输出性能的机制，不仅为高性能摩擦电材料的设计提供了新思路，还推动了TENG技术在物联网微能源系统中的实用化进程。优化后的ECE-TENG在输出电荷密度和功率密度方面均达到国际领先水平，其成功应用示范为未来自供电系统的开发奠定了坚实基础。