TiO2/Ag杂化填料协同调控介电性能与光生电荷增强天然橡胶基摩擦纳米发电机效能

为突破天然橡胶(NR)基摩擦纳米发电机(TENG)性能瓶颈，研究人员创新性地设计TiO2/Ag杂化纳米填料，通过介电极化调控与可见光区光生电荷协同作用，使器件功率密度提升13倍至4.44 W/m2，为可持续能源技术提供新策略。

　　

在物联网(IoT)时代激增的能源需求与环境污染双重压力下，从环境中捕获机械能转化为电能的摩擦纳米发电机(TENG)技术备受关注。然而，传统基于合成聚合物(如PDMS、PVDF)的TENG存在不可降解、加工污染等问题，而天然材料制成的TENG又面临输出功率低的困境。泰国国家研究委员会(NRCT)与孔敬大学的研究团队独辟蹊径，选择从橡胶树(Hevea brasiliensis)提取的天然橡胶(NR)作为基底材料，通过创新设计的TiO₂/Ag杂化纳米填料，成功实现了性能突破。

研究团队采用表面活性剂辅助法合成TiO₂/Ag杂化纳米颗粒，通过调控AgNO₃浓度优化纳米结构形貌；采用溶液共混法制备NR基纳米复合材料；通过介电谱分析、光电性能测试等手段系统评估材料特性；构建接触分离式TENG器件测试输出性能；并考察温湿度环境稳定性及风能采集应用效果。

材料与方法
通过十二烷基硫酸钠(SDS)辅助的化学还原法，在TiO₂纳米颗粒表面均匀负载Ag纳米颗粒(AgNPs)，TEM显示AgNPs粒径随AgNO₃浓度增加从5 nm增大至20 nm。采用机械搅拌与超声分散相结合的策略，确保纳米填料在NR基体中的均匀分散，制备出具有优异柔韧性的复合薄膜。

结果与讨论
介电性能测试表明，含10 wt% TiO₂/Ag(5 mM)的复合材料介电常数提升至纯NR的7.5倍，这归因于AgNPs引起的界面极化和TiO₂的高介电特性协同作用。在可见光照射下，Ag掺杂使TiO₂带隙窄化至2.8 eV，光电流密度提升3个数量级。

器件性能
最优组装的TENG在3 Hz工作频率下，输出电压达425 V，短路电流密度18.5 μA/cm²，功率密度4.44 W/m²。通过风洞实验证实，器件可在5-8 m/s风速下稳定点亮480个LED，且在85%湿度或60℃环境中性能衰减<15%。

结论与意义
该研究通过精准设计TiO₂/Ag杂化纳米结构，首次在NR基TENG中实现介电增强与光生电荷的双重协同效应。Viyada Harnchana团队开发的绿色制备工艺，不仅解决了纳米填料团聚难题，更将生物基TENG性能提升至与合成聚合物器件相当的水平。这项发表于《Materials Research Bulletin》的工作，为发展环境友好型能量采集技术提供了普适性材料设计策略，对推动自供电物联网设备发展具有重要价值。