一种用于从机械摩擦中获取电能的极化断裂框架

《Materials Horizons》：A polarized broken framework for electrical energy harvesting from mechanical friction

通过界面合成制备的溴氧富集破碎框架膜（TamDbta-PAN）与尼龙-11组成摩擦纳米发电机，实现2342 mW/m2的高机械能转换效率，并成功驱动LED阵列和数字手表。

　　在当前社会，随着科技的快速发展和能源需求的持续增长，寻找可持续、高效的能源获取方式成为科学研究的重要方向。机械摩擦能的采集技术作为一种新兴的能源转化手段，正在引起广泛关注。这种技术利用两个表面之间的机械摩擦产生电荷分离，从而捕获可利用的电能。在这一背景下，研究人员提出了一种创新的方法，通过构建具有特定功能特性的材料，提高摩擦电纳米发电机（TENG）的能量转化效率，为未来能源采集提供了新的思路。

### 材料与结构设计

研究人员采用了一种名为“TamDbta-PAN”的新型材料，该材料通过在聚丙烯腈（PAN）表面进行原位沉积，形成了富含溴和氧的断裂框架结构。这种断裂框架结构来源于三维共价有机框架（3D-COF）的不完全合成，其表面具有丰富的极性基团，例如含有氧的羰基（C=O）和含氮的亚胺基（C=N）。这些极性基团在摩擦过程中能够有效地产生电荷分离，从而提升TENG的输出性能。

在实验过程中，研究人员将四氨基苯基甲烷（Tam）和对甲苯磺酸（p-TSA）的混合物置于水相中，而2,5-二溴对苯二甲醛（Dbta）则置于乙酸乙酯相中。通过水-乙酸乙酯界面的反应，TamDbta断裂框架被生成，并通过重力作用滴落在PAN膜上。这种合成方式使得TamDbta能够在PAN表面形成均匀的涂层，同时保留了其原有的功能特性。

### 表面特性与电荷行为

TamDbta-PAN的表面特性是其高效能量转化能力的关键。通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和扫描电子显微镜（SEM）的分析，研究人员发现TamDbta-PAN在PAN表面形成了直径约为1-2微米的球形颗粒。这些颗粒不仅覆盖了整个PAN表面，还表现出良好的机械柔性和稳定性，使其能够在重复的机械摩擦过程中保持结构完整。

此外，通过测量表面电势（zeta电位）和接触角，研究人员进一步揭示了TamDbta-PAN的表面特性。TamDbta-PAN的表面电荷密度显著高于原始PAN材料，且其表面电荷主要来源于溴、氧和氮等强电负性原子。这种高电负性表面在与具有正电荷特性的材料（如尼龙11）接触时，能够产生显著的电荷转移，从而提高TENG的输出性能。

### TENG性能与能量转化效率

在TENG实验中，TamDbta-PAN与尼龙11的组合表现出最佳的能量转化效率。实验数据显示，当使用10牛的力进行摩擦时，TamDbta-PAN/尼龙11设备能够产生高达43.56伏的开路电压、8.86微安的短路电流以及13.76纳库的电荷。这些数据表明，该设备具有较高的功率密度，达到2342毫瓦每平方米，这在当前的TENG研究中是一个非常显著的成果。

进一步的实验表明，这种设备不仅能够满足实验室条件下的高能效要求，还具备实际应用的潜力。例如，通过简单的手部敲击，该设备能够为100个蓝色LED灯供电，并为腕表提供持续的电力支持。这表明，TamDbta-PAN在日常生活中具有广泛的适用性，能够将人体运动转化为可使用的电能。

### 机械稳定性与长期性能

为了验证TamDbta-PAN在实际应用中的机械稳定性和长期性能，研究人员对其进行了多次机械摩擦测试。结果表明，即使经过25000次的机械冲击，TamDbta-PAN的表面结构仍然保持完整，显示出良好的机械耐久性。此外，设备在50000次的循环测试中，依然能够维持稳定的开路电压，进一步证明了其在实际应用中的可靠性。

### 应用前景与未来展望

TamDbta-PAN的优异性能不仅限于实验室环境下的能量采集，其在实际应用中的潜力也十分突出。该材料的结构设计和功能特性使其能够适应各种机械摩擦条件，为可穿戴设备、大面积柔性能量收集器等提供了新的解决方案。此外，其高电负性表面特性使其在与其他材料的组合中表现出更强的电荷转移能力，这为未来的TENG研究和开发提供了重要的理论支持和实践基础。

### 总结

综上所述，通过原位沉积技术构建的TamDbta-PAN材料，成功实现了高功率密度的TENG设备，其表面特性与功能设计显著提升了机械摩擦能的转化效率。该材料的机械稳定性与长期性能也为实际应用提供了保障。未来，随着对断裂框架结构的深入研究，这一技术有望在可穿戴设备、智能传感器和环境能源采集等领域得到更广泛的应用，为可持续能源的发展贡献力量。