北京纳米能源张弛团队Materials Today：氢键增强接触分离摩擦伏特效应—电流密度突破5 A/m²

摩擦伏特效应是指在机械激励作用下，半导体界面上的非平衡载流子在 内置电场的驱动下发生定向迁移，进而产生直流电压与电流的物理现象。 该机制赋予摩擦伏特纳米发电机（TVNG）独特的性能优势，如低内阻（~kΩ）与高电流密度（~A/m2），使其在能量采集、自驱动传感和可穿戴电子等多个领域展现出广阔的应用潜力。在之前的滑动模式下，基于动态且连续导通的界面阐明发电机理，但滑动模式对界面耐磨性要求高，且不适用于振动能采集。同时，接触摩擦能否产生能量注入，接触分离模式下摩擦伏特效应是否依然有效，其物理机制也不清楚。因此，系统地研究接触-分离模式下摩擦伏特效应中载流子的激发过程，并探索其增强策略，对于深入理解这一新兴能量转换机制、提升器件性能以及拓展其实际应用具有重要的理论意义和工程价值。

鉴于此，北京纳米能源与系统研究所张弛团队的亓有超博士和刘国旭助理研究员在期刊《Materials Today》上，发表了最新研究成果“Hydrogen Bond-Enhanced Tribovoltaic Effect at Organic Semiconductor Interfaces with Ultrahigh Current Density Over 5 A/m2 in Contact-Separation Mode”。本研究开发了一种基于氢键增强机制的接触–分离模式摩擦伏特纳米发电机（CS-TVNG），其电流密度高达5A/m2，约为当前先进厘米级尺度摩擦纳米发电机的65倍。为深入揭示其性能增强机制，我们系统比较了在95%乙醇存在与否以及接触与非接触等不同条件下CS-TVNG的输出特性。结果显示，在接触状态下，95%乙醇的引入显著提升了器件的电流输出，主要归因于其促进了更强的接触起电效应与摩擦能量的有效注入，从而激发出更多的电子空穴对。相比之下，在非接触状态下仅产生微弱的对称电流，表明静电感应对整体输出的贡献有限。表面电位测试进一步验证了上述结论：在接触起电过程中，摩擦能量的持续注入在摩擦界面产生了明显的电势差。基于以上结果可得出结论：摩擦能量的注入是CS-TVNG输出性能的关键决定因素。值得注意的是，95%乙醇的存在促使聚苯乙烯磺酸盐、聚乙烯醇、水和乙醇之间形成稳定的氢键，从而削弱了PEDOT+与PSS-之间的离子作用力，显著增强了摩擦界面能量注入的效率。这一作用进一步促进了载流子的高效激发、分离与定向迁移，使器件在摩擦伏特机制下实现了增强的直流输出性能。在此机制支持下，所构建的CS-TVNG展现出优异的能量转换能力，其平均功率密度达到7.2 mW/m2，并可在16 秒内将100 μF电容器充电至0.51 V。更重要的是，本研究首次实现了摩擦伏特振动能量收集器对实际电子设备的稳定供能，包括温湿度计、智能手机和无线报警系统等，充分展现了其在低频振动能量采集与自驱动传感等领域的广阔应用前景。

图1：通过95%乙醇处理构建氢键增强界面的PEDOT:PSS-PVA（SCF）接触-分离模式TVNG及其性能表征。

SCF为由PVA掺杂PEDOT:PSS（质量比4:1）构成的复合薄膜，并通过在界面引入95%乙醇构建接触-分离模式TVNG，实现对机械振动能的有效收集，为无线电子设备提供稳定供能（图1a）。光学图像展示了TVNG中SCF与铝摩擦电极的表面形貌，表明两者之间可形成良好的界面接触（图1b）。在95%乙醇存在条件下，TVNG的I–V曲线表现出优异的整流特性，进一步验证了器件的电输出能力（图1c）。此外，得益于95%乙醇在界面中引入的氢键增强效应，TVNG展现出显著提升的输出性能，电流密度可达5 A/m2，平均功率密度达到7.2 mW/m2，较未添加95%乙醇的TVNG分别提升约11880倍和514倍（图1d-g）。与当前最先进的摩擦纳米发电机相比，其电流密度提升达65倍（图1h），充分显示出该设计在高效能量转换方面的巨大潜力。

图2：实验对比了95%乙醇对TVNG输出性能的影响。

我们系统地比较了在95%乙醇存在与否以及接触与非接触等不同工作状态下，CS-TVNG的输出特性。实验结果表明，在接触状态下引入95%乙醇可显著提高器件的电流输出，达到2.02 mA（图2a–c），主要归因于其增强了接触起电效应，并有效促进了摩擦能量的注入，从而激发出更强的界面电场。相比之下，在非接触状态下，器件仅输出微弱的对称电流（0.17 μA，图2d–f），表明在缺乏直接摩擦能量注入的情况下，静电感应对整体输出贡献有限。进一步地，当95%乙醇存在但两摩擦层未充分接触时，TVNG的输出电流和电压分别仅为0.18 nA和0.08 V（图2g–i），再次验证了界面接触在提升器件性能中的重要性。综合以上结果可知，95%乙醇通过促进界面间更强的接触起电行为，在增强摩擦能量注入与界面电场强度方面发挥了关键作用，从而显著提升了TVNG的整体输出性能。

图3：TVNG的工作机制与电输出性能。

在TVNG的界面引入95%乙醇后，乙醇可对SCF薄膜中的PVA产生轻微溶解作用，从而暴露出更多PEDOT:PSS表面。此过程中，95%乙醇中的羟基与PSS链段上的磺酸基之间形成氢键，促进更多活性PEDOT+的释放，从而增强摩擦能量的注入效率，进一步激发更多电子-空穴对的产生。该机制得到了红外光谱结果的有力验证（图3a-c）。此外，我们系统比较了不同PEDOT:PSS与PVA质量比构成的SCF薄膜在TVNG中的输出性能，包括输出电压、电流及功率。结果表明，PEDOT:PSS质量分数为20%的SCF薄膜表现出最优的电输出性能（图3d-f）。在氢键增强作用的进一步加持下，TVNG还展现出优异的储能能力，能够在16秒内将100 μF电容器充电至0.51 V（图3g-h），为其在实际能量收集和供电系统中的应用提供了支撑。

图4：基于TVNG构建的振动能量收集器展示出为多种电子设备稳定供能的应用潜力。

本研究首次开发了一种基于TVNG构建的振动能量收集器（图4a），可高效捕获宽频范围内的环境振动能量。该能量收集器在连续工作5小时的条件下，仍可稳定输出超过200 μA的电流（图4b），并在24-42 Hz的宽频振动范围内保持稳定的电流输出，表现出良好的频率响应特性（图4c）。进一步地，通过将5个TVNG器件串联连接，可实现高达200 μA的电流输出及超过6 V的电压输出，满足低功耗电子器件对电能源的需求（图4d-e）。最后，我们利用该收集器成功驱动了多种常见电子设备，包括温湿度计、智能手机以及无线报警器等（图4f-h），验证了其作为自主电源在智能工厂、工业物联网及智能轨道交通系统等场景中的广阔应用前景。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702125003992

来源：高分子科学前沿

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