溶剂辅助磨合策略可提升摩擦电纳米发电机的输出性能

《Nature Communications》：Solvent-assisted running-in strategy enables improved triboelectric nanogenerator output

　　

摘要

摩擦电纳米发电机的输出电压较低，这一缺陷限制了其大规模的实际应用。尽管人们已经付出了大量努力来提升其输出性能，比如增加摩擦材料的表面电荷密度，但这些改进要么效果不佳，要么操作过于复杂。在这里，我们发现通过使用二甲基亚砜作为溶剂优化磨合过程，可以将聚酰亚胺基摩擦电纳米发电机的电荷密度提升至2.5 mC/m2，这一数值是未经处理设备的四倍。该溶剂辅助的磨合过程能够清除接触面上的磨损产物、碎片或转移的物质，从而减少电子传输的障碍。通过飞行时间二次离子质谱分析、分子动力学模拟以及分子和电子层面的密度泛函理论分析，研究结果表明，磨合过程中的摩擦会进一步破坏聚酰亚胺中的N–C键，从而使酰胺基团得以释放。在二甲基亚砜驱动的萃取作用下，含有酰胺基的链段会重新排列成“分子刷”，这些分子刷的强吸电子性C=O键会暴露出来，从而从另一摩擦层中捕获电子。这种溶剂辅助的磨合策略无需对材料进行修改就能提升工程聚合物的电输出性能，同时也阐明了如何利用摩擦学磨合机制来调控摩擦电性能。