福州大学陈惠鹏《JMCA》:一步法制备集化学修饰和物理修饰于一体的双网络摩擦层

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   摩擦纳米发电机(TENG)作为一种重要的机械能采集技术,同时由于其自身重量轻,材料选择丰富,成本低,易于制造等优点,引起了较大的关注。但为了满足实际应用器件的需求,其摩擦电性能还需进一步提高。接触材料的摩擦电荷表面密度对TENG的输出性能起着至关重要的作用。然而,目前提高摩擦电荷表面密度的方法主要是对摩擦层进行单一的化学修饰或者物理修饰,这样只能从某一方面来提升TENG的输出特性。为了打破这一瓶颈,研制更高输出特性的TENG是非常有必要的,这将更有利于TENG在可穿戴设备或者收集其他机械能设备中的应用。

近日,福州大学陈惠鹏教授研究团队设计制备了一种通过后处理方法制备的双网络摩擦层(DN-PDMS),是通过一步法将化学修饰和物理修饰集于一体的摩擦层。该摩擦层通过向纯的PDMS薄膜内渗透可聚合的单体小分子,之后透过光掩膜版进行交联,即实现了可控的化学改性和物理改性,同时可以高度调节薄膜的介电常数和表面微观图案。

DN-PDMS制备过程以及DN-PDMSTENG结构示意图
(a)不同可聚合单体小分子注入PDMS薄膜渗透速度;(b) 不同可聚合单体小分子注入PDMS薄膜浓度分剖面图;(c)不同双网络薄膜介电常数;(d)和(e)仅化学表面修饰时输出特性;(f)DN-PDMSTENG工作原理。
为了进一步证明加入不同可聚合单体小分子可以增加摩擦层表面电荷密度,作者接下来测试了不同摩擦层薄膜的表面电势。
(a)纯PDMS薄膜和不同双网络薄膜摩擦前后表面电势
实验证明通过选择合理的可聚合的单体小分子、掩模版以及曝光时间,DN-PDMSTENG 相比未修饰的TENG,输出电压提高了17.4倍,同时输出功率增强了约189倍。
  表面修饰前后的输出特性对比(注入的可聚合单体小分子为MAA)
此外, DN-PDMS TENG对压力表现出较灵敏的响应,通过计算得出该器件的检测极限为3.8 Pa。因此,这种后处理的可控的表面修饰摩擦层薄膜为更高性能的TENG创造了更好的机会,同时对物联网传感装置的发展和能源的可持续发展至关重要。本文第一作者为福州大学博士研究生刘亚,通讯作者为陈惠鹏教授
参考文献:Y. Liu, X. Wang, Y. Yan, Z. Rao, H. Chen and T. Guo, “ANovel Post-processed Surface Modified Double-network Polymer Layer forTriboelectric Nanogenerator” J. Mater. Chem.A, 2020, DOI: 10.1039/D0TA01070G.
来源:高分子科学前沿


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