王双飞院士团队Nano letters：具有深层陷阱的纸基摩擦电材料

1、研究背景

鉴于日益增强的环保意识与科技的进步，可持续材料在新能源、生物医学材料及可穿戴设备领域发挥着至关重要的作用。纸张因其卓越的生物降解性和低廉的成本而备受瞩目。自2012年摩擦电纳米发电机 (TENGs) 问世以来，其独特的发电方式与纸张材料高度契合，推动了纸基摩擦电材料的显著发展。然而，这类材料本身缺乏高效的电荷存储结构，导致电荷在摩擦层表面累积时易发生泄漏或耗散。

2、文章概述

近日，王双飞院士团队开发了一种具有深层陷阱的纸基摩擦电材料，实现了高效的电荷存储。与纯纤维素纸相比，该材料的深层陷阱密度提高了约54倍。基于该材料的TENG峰值输出功率密度比纯纤维素纸基TENG高出约45倍，20,000次循环后仍能维持约136 V的稳定电压。该成果以"Efficient Output and Stability Triboelectric Materials Enabled by High Deep Trap Density"为题发表在《Nano Letters》期刊上。2022级硕士研究生张雅琪为本文第一作者，段青山博士和梁东武副研究员为通讯作者，何娟霞博士、高宇教授、许贝、栗剑锋、刘坤博士、聂双喜教授参与研究。

3、图文导读

1.纸基摩擦电材料中深层陷阱的构筑策略

本研究通过氢键组装策略（HBA）开发了一种利用深层陷阱实现高效电荷储存的纸基摩擦电材料。首先，SiO 2与纤维素滤纸通过氢键相互作用形成稳定的基底。然后，Ti 3C 2T x薄片沿平面方向排列在SiO 2纳米颗粒上。Ti 3C 2T x的高效电子传递效应有利于电荷的有效传输。SiO 2通过悬挂键/不饱和键或不饱和氧化作用诱导表面缺陷，促进生成使载流子得以驻留的深层陷阱，进而对Ti 3C 2T x传输到材料内部的摩擦电荷进行高效捕获。

图1. 具有深层陷阱的纸基摩擦电材料的构筑与潜在应用

2.验证SiO2引入的结构陷阱

通过TS-CFP的FTIR可发现自组装系统内部存在大量氢键。SiO 2引入的结构陷阱导致纤维素内部发生电荷重组，改变晶体结构内应力，引起晶格收缩、晶面间距减小，增加衍射角；同时，破坏纤维素分子之间的有序排列，降低其结晶度。另外，陷阱改变了局部应力和电荷分布使得Raman光谱中相关特征峰蓝移；陷阱引起的散射光子能量分布的扩大导致150~400 cm −1处特征峰的展宽，且陷阱导致的键合能波动导致了XPS新峰的出现。此外，由于其电子相互作用被氢键所改变而造成晶格膨胀，Ti 3C 2T x晶格条纹间距增大，抑制了Ti 3C 2T x纳米片团聚，促进电荷传输通道的形成，有利于电荷进入材料内部然后被陷阱捕获。上述证据表明，通过成功实施 HBA 策略，TS-CFP自组装体系的结构稳定性得到了显著增强，并且在其内部有效地构建了陷阱。

图2.结构陷阱态的表征

3.TS-CFP中摩擦电荷的耗散与存储性能

与纯纤维素相比，该摩擦电材料具有较低的电荷耗散率，浅层与深层陷阱密度分别提高了约15倍和54倍，表明 TS-CFP 自组装系统中存在更多此类陷阱。当摩擦电荷从表面移动到材料中时，它们可能会遇到陷阱并被捕获，从而阻碍其原始路径。相较于浅层陷阱，深层陷阱具有更高的陷阱能级 (0.87 eV)；这意味着当电荷试图从深层陷阱中逃离时，必须克服一个更大的势垒，因此电荷被捕获并维持在陷阱中的时间得以延长，从而减少了耗散。此外，该摩擦电材料表现出良好的介电性能与较大的表面电势，进一步验证了深层陷阱在提升电荷储存能力的有效性。

图3.摩擦电荷的耗散与存储性能

4.纸基摩擦电材料的摩擦电输出特性

与纯纤维素基TENG相比，基于该材料的TENG在2 Hz下的电荷密度、短路电流和开路电压分别提高了574%、545%和368%，峰值输出功率密度提高了约45倍。SiO 2含量对开路电压具有双重影响：适量时通过增加深层陷阱密度提升电荷存储能力，过量时则通过削弱驻极体效应和提高电导率加剧电荷耗散，从而呈现出先升后降的变化趋势。而且，该TENG在20,000次循环后仍能保持约136 V的稳定电压，具有良好的稳定性和作为自供电电源的潜力。

图4.纸基摩擦电材料的摩擦电输出特性

5.极端气候下的纸基TENG

由于深层陷阱能够捕获紫外线辐射产生的光生载流子和热激发产生的电荷载流子，该纸基TENG在暴露于紫外线和高温条件下长达12 h后，其电压分别只降低了14%和6%，具有优异的稳定性。同时，TENG的快速响应-恢复时间以及电压与湿度之间的高度线性关系，表明其有望应用于实时湿度监测。以上试验表明，该纸基TENG在恶劣天气条件下能保持正常功能，具有良好的应用潜力。

图5.极端气候下的纸基TENG

6、结论

利用纤维素滤纸、Ti 3C 2T x和SiO 2成功设计了一种具有深层陷阱的纸基摩擦电材料。该材料能够高效地将摩擦电荷传输至其内部，并将它们牢牢捕获在深层陷阱中而防止耗散。基于该材料的TENG展现出了卓越的稳定性和实用性，为纸基摩擦电材料的进一步发展奠定了坚实的基础。

原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c05154

来源：高分子科学前沿

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！