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咖啡渣,发了一篇AFM!广西大学鲁鹏课题组:基于废咖啡渣的全降解摩擦电纳米发电机问世

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随着能源危机和环境污染问题日益严峻,开发可持续的绿色能源技术成为全球迫切需求。摩擦电纳米发电机(TENGs)作为一种新兴技术,凭借其材料兼容性广、成本低和能量转换效率高等优势,在分布式电源和自供电电子领域展现出巨大潜力。然而,当前高性能可生物降解负摩擦电材料的稀缺,以及现有可降解TENG结构存在的摩擦层脆弱、环境适应性差等问题,严重制约了其实际应用。大多数所谓的“绿色”TENGs仍依赖不可降解的石油基聚合物,如聚四氟乙烯(PTFE),这些材料在设备废弃后会造成持久的环境负担。

近日,广西大学鲁鹏副教授课题组成功通过将废咖啡渣(SCG)与聚己内酯(PCL)共挤出,制备出全降解负摩擦电层材料(SCG-PCL)。当与可降解正摩擦电材料如导电聚乳酸(PLA-C)、纤维素、玉米蛋白和壳聚糖配对时,SCG-PCL的摩擦电荷密度达到相应PTFE组合的67%至127%。这一突破为替代PTFE和实现全生物降解TENG提供了可行策略。随后,SCG-PCL颗粒与3D打印导电PLA外壳集成,设计出全生物降解、全封闭的TENG(SP-TENG)。在等效成本下,SP-TENG的输出电压是PTFE颗粒基TENG的1.7倍,体积功率密度达12.28 mW·m⁻³,并具有出色的耐久性、可扩展性和降解性。此外,SP-TENG可应用于岛屿风能收集和复杂道路条件预警系统。相关论文以“A Fully Degradable and Enclosed Triboelectric Nanogenerator Based on Spent Coffee Grounds Triboelectric Material”为题,发表在

Advanced Functional Materials
上。


研究首先展示了废咖啡渣的全球年产量巨大,且富含木质素、纤维素、脂质和蛋白质等成分,为高价值应用奠定了基础。尽管生物质摩擦电材料如纤维素、木质素等已被用于TENG,但现有研究多集中于正摩擦电材料,可生物降解负摩擦电层的研究仍显不足。当前许多“可生物降解TENGs”仍使用非降解聚合物如PTFE作为负层,这违背了全降解设备的初衷。SP-TENG的设计展望了广泛的应用前景,包括海洋波浪能收集、偏远地区风能转换、一次性医疗电子供电和军事无人机应急能源供应。


图1 a) 咖啡的生命周期及其主要化学成分。 b) 废咖啡渣的高价值利用策略。 c) 可生物降解TENGs的研究现状。 d) 全生物降解SP-TENG的应用前景。

为了评估SCG-PCL作为负摩擦电材料的性能,研究采用垂直接触-分离模式TENG进行测试。结果显示,SCG-PCL与可降解正材料配对时,输出性能显著高于纯PCL,且与PTFE相当。例如,与PLA-C薄膜配对时,SCG-PCL的电压、电流和转移电荷分别达到PTFE组的67%、51%和71%。表面电位分析表明,咖啡渣的加入增强了PCL的负电性,而表面粗糙度的增加促进了静电相互作用和电荷转移,从而提升了摩擦电性能。电荷密度比较显示,SCG-PCL在所有正材料配对中均优于PCL,并与PTFE具有可比性。


图2 a) 用于评估材料摩擦电性能的垂直接触-分离模式TENG结构,以及相应的正负摩擦电对。 b) 不同材料的摩擦电序列。 c) 与各种可生物降解材料配对的PCL、SCG-PCL和PTFE薄膜的输出电压。 d) 输出电流。 e) 转移电荷。 f) 电荷密度比较。

针对传统薄膜基TENG的耐久性差和环境抵抗力弱等问题,研究开发了SCG摩擦电颗粒,并通过3D打印外壳构建了全封闭SP-TENG。制备过程简单高效,可实现大规模标准化生产。SCG-PCL颗粒表面呈现多孔形态,FTIR和XPS分析证实了复合材料的成功形成,其中含氧极性官能团增强了电子接受能力。压缩测试表明,尽管SCG比例增加会降低机械强度,但在3:1比例下仍保持43.84 MPa的压缩强度,足以满足应用需求。SP-TENG的工作机制基于颗粒在壳体内的往复运动,通过静电感应产生交流电输出。


图3 a) SCG摩擦电颗粒的制备过程和SP-TENG的组装。 b) SCG-PCL摩擦电颗粒的照片。 c) SCG-PCL摩擦电颗粒表面的SEM图像。 d) PCL、SCG和SCG-PCL的FTIR光谱。 e) 不同SCG基组成的摩擦电材料的压缩性能。 f) (i) SP-TENG器件结构示意图;(ii) SP-TENG的工作机制说明。

研究进一步优化了SCG摩擦电颗粒的参数。当SCG与PCL质量比为3:1时,电气性能最佳,开放电路电压达4.6 V,短路电流73 nA,转移电荷1.3 nC。颗粒长度设置为8 mm(等于通道长度的一半)时,输出最高。振动频率的增加也提升了电气输出,在2.6 Hz时达到峰值。这些优化确保了SP-TENG在实际应用中的高效性能。


图4 a-c) 不同SCG与PCL比例的摩擦电颗粒器件的电压、电流和转移电荷。 d-f) 不同长度摩擦电颗粒器件的电压、电流和转移电荷。 g-i) 不同振动频率下的电压、电流和转移电荷。

在最佳条件下,SP-TENG表现出卓越的电性能。体积功率密度达12.28 mW·m⁻³,能够快速充电电容器,如在20秒内将10 µF电容器充电至2 V。耐久性测试显示,连续运行9400周期后输出稳定,长期存储6个月后电压仅衰减6%。与PTFE颗粒相比,SCG-PCL输出较低,但成本仅为其23%,且重量更轻,展现了其在经济性和可持续性方面的优势。四个SP-TENG单元并联时,输出电压、电流和转移电荷分别达15 V、262 nA和4.8 nC,显著优于PTFE基TENG。


图5 a) SP-TENG在不同外部负载电阻下的输出电流、电压和功率。 b) 电容器充电期间的电压曲线(插图:用于充电电容器的电路图)。 c) SP-TENG的循环耐久性测试。 d) SCG基摩擦电颗粒的长期存储稳定性。 e-g) SCG-PCL与PTFE颗粒的电输出比较:电压、电流和转移电荷。 h) SCG-PCL与PTFE颗粒的重量和成本比较。 i) 四个TENG单元串联和并联连接时的电输出差异。

SP-TENG在风能收集和道路警告中展示了实际应用价值。集成曲柄滑块机制的风能收集设备将风能转化为线性往复运动,驱动SP-TENG发电。随风速增加,输出电压、电流和转移电荷均显著提升,在11 m/s风速下,电压达30 V,电流105 nA。该设备成功供电给商用温湿度计和LED阵列,并可用于岛屿地区的分布式能源供应和道路安全预警,通过颗粒运动产生的声音提醒驾驶员注意复杂路况。


图6 a) 风能收集装置的结构。 b) 不同风速下装置的输出电压。 c) 输出电流。 d) 转移电荷。 e) SP-TENG供电的温湿度计电压曲线。 f) SP-TENG点亮串联LED阵列拼写的“TENG”。 g) SP-TENG在岛屿风能收集和复杂道路条件警告/照明中的应用。

这项研究成功开发了基于SCG-PCL复合颗粒的全封闭摩擦电纳米发电机,不仅实现了与传统PTFE相媲美的性能,还具备全生物降解特性。SP-TENG的自动化制造过程支持规模化生产,为废咖啡渣的高价值利用和绿色TENG设备的生产提供了创新途径。未来,这种设备在远程发电和自供电传感系统中具有广阔应用前景,将有力推动可持续能源技术的发展。

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