中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士团队：面向高性能摩擦纳米发电机的 PVDF/聚合物界面极性驱动与材料依赖的电荷转移机理

面向高性能摩擦纳米发电机的 PVDF/聚合物界面极性驱动与材料依赖的电荷转移机理

题目：Mechanisms of Polarity-Driven and Material-Dependent Charge Transfer at PVDF/Polymer Interfaces for High-Performance Triboelectric Nanogenerators

作者：Zhe Yang, Ning Wu, Muqi Chen, Zeyang Yu, Jianming Liu, Juanli Zhao, Tao Jiang, Yaokun Pang, Zhihua Xiong, Morten Willatzen, Jianjun Luo, Zhong Lin Wang

DOI:10.1002/cnl2.70152

链接：https://doi.org/10.1002/cnl2.70152

第一作者：杨哲，吴宁，陈慕琦

通讯作者：吴宁，Morten Willatzen，骆健俊

单位：中国科学院北京纳米能源与系统研究所

研究背景

在“双碳”目标和分布式能源需求的推动下，如何高效收集环境中的微小能量成为研究热点。太阳能、热电、湿度发电等多种技术不断发展，其中，基于接触起电与静电感应效应的摩擦纳米发电机（TENG）因其材料选择广泛、结构灵活、成本低且适应环境能力强，展现出在自供能电子、可穿戴设备及海洋蓝色能源等领域的巨大应用潜力。然而，TENG 的性能仍受到界面电荷密度低且不稳定的限制，而界面电荷转移正是决定其输出电压、电流及功率密度的核心因素。尽管通过增加接触面积、引入官能团或极性材料等方法可以一定程度提升性能，但其微观电荷转移机制仍缺乏清晰认识。

在众多调控策略中，引入具有极化特性的材料被证明尤为有效。其中，β相聚偏二氟乙烯（β-PVDF）由于其显著的铁电极化，在提升界面电荷密度和摩擦电输出方面表现突出。然而，与非极性的α相相比，β相为何能够显著增强摩擦电性能，其本质机制仍未被深入揭示。同时，传统基于“摩擦电序列”的材料选择方法更多依赖经验，难以从微观层面解释不同材料界面间的电荷转移行为。因此，系统揭示铁电极化调控下的界面电荷转移机制，对于理解并优化TENG性能具有重要意义。

成果介绍

中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士团队通过第一性原理计算与实验相结合的方法，系统研究了铁电聚合物β相PVDF在摩擦界面中的电荷转移机理，揭示了材料极性与化学组成对界面电荷转移行为的调控及影响规律。结果表明，具有显著铁电极化的β相PVDF在界面处能够产生内建电场，从而显著增强电荷转移能力，而非极性的α相PVDF则表现出较弱的电荷转移效应。进一步研究发现，界面电荷主要来源于聚合物的官能团，其转移强度呈现出明确的材料依赖关系：β-PVDF/Nylon ＞ β-PVDF/PDMS ＞ β-PVDF/PVC ＞ β-PVDF/PE ＞ β-PVDF/PTFE ＞ β-PVDF/FEP，对应电子从低功函数材料向高功函数β-PVDF转移。实验结果与理论计算结果一致，证实基于β相PVDF的摩擦纳米发电机具有更高的电学输出性能。本研究从微观层面揭示了铁电极化驱动的界面电荷重分布机制，突破了传统摩擦电序列的经验性认识，为高性能、可调控摩擦纳米发电机的材料设计提供了重要理论依据。相关成果以“Mechanisms of Polarity‐Driven and Material‐Dependent Charge Transfer at PVDF Polymer Interfaces”为题发表在高水平期刊 Carbon Neutralization 上。

本文亮点

1、从微观层面阐明β相PVDF通过其内建电场可显著增强界面电荷转移，并通过实验验证β相PVDF可显著提升TENG的输出性能，为极性材料可增强TENG的输出性能提供了理论指导。

2、系统给出了不同聚合物体系的电荷转移规律，且理论计算与实验规律高度一致，为TENG的材料选择提供了可预测的理论依据，并从微观机理层面突破了传统“摩擦电序列”的经验性局限。

本文要点

要点一

极性增强电荷转移

图1：β相与α相PVDF分别与六种典型聚合物（Nylon、PDMS、PVC、PE、PTFE和FEP）构建的界面模型。

图1展示了β相与α相PVDF分别与六种典型聚合物（Nylon、PDMS、PVC、PE、PTFE和FEP）构建的界面模型，用于对比分析极化对界面电荷转移行为的调控作用。

图2：β相与α相PVDF分别与Nylon和FEP界面的差分电荷密度、平均静电势以及态密度。

图2对比展示了β相与α相PVDF分别与典型聚合物界面的电荷转移行为，并结合静电势与态密度分析揭示铁电极化及内建电场对界面电荷转移的调控作用。其中，选取Nylon与FEP作为代表体系，分别对应β-PVDF体系中电荷转移最强与最弱的界面情况。

要点二

聚合物依赖的电荷转移

图3：β相PVDF与六种典型聚合物界面的差分电荷密度与对应态密度。

图3展示了β相PVDF与不同聚合物界面的局域电荷密度分布及相关态密度，系统分析了界面电荷转移过程中具体原子与官能团的影响机理，揭示了主导电荷转移的关键原子与官能团及其对电荷转移行为的调控作用。

要点三

电荷转移的调控机理

图4：β相PVDF与六种典型聚合物的能带结构。

图4给出了β相PVDF与六种典型聚合物界面的能带结构，用于揭示铁电极化与不同聚合物对体系电子结构的调控及影响规律。

图5：PVDF与不同聚合物的能级对齐关系及β相PVDF界面电荷转移与聚合物功函数之间的线性关系。

图5通过对比不同聚合物的功函数与β相PVDF界面电荷转移行为，揭示了功函数差异对电子转移方向与强度的主导作用。

要点四

实验验证

图6：摩擦纳米发电机的结构与工作原理，并从实验上对比了α相与β相PVDF与不同聚合的输出性能。

图6从实验上系统对比了不同PVDF/聚合物摩擦电体系的输出性能（电压、电流及转移电荷）。实验结果表明，β相PVDF可显著增强界面电荷转移并提升器件输出性能，同时其输出大小规律与理论计算结果一致。

本文小结

本研究结合第一性原理计算与实验研究，系统揭示了铁电极化与聚合物种类对PVDF/聚合物界面电荷转移行为的调控规律。结果表明，β相PVDF由于其内建电场的存在，可显著增强界面电荷转移能力，而非极性的α相PVDF则表现出明显较弱的电荷转移行为，并对应较低的摩擦电输出性能。在β-PVDF与不同聚合物构成的体系中，界面电荷转移呈现出材料依赖的大小规律：β-PVDF/Nylon ＞ β-PVDF/PDMS ＞ β-PVDF/PVC ＞ β-PVDF/PE ＞ β-PVDF/PTFE ＞ β-PVDF/FEP，且转移电荷主要集中在聚合物的官能团附近。同时发现，界面电荷转移量与聚合物功函数之间呈线性关系，且低功函数材料更易向PVDF发生电子转移。实验证实了理论计算结果，进一步验证了β相PVDF在提升TENG输出性能方面的优势，并从实验上支持了材料依赖的电荷转移规律。本研究从微观层面阐明了铁电极化调控界面电荷转移的微观机理，为高性能摩擦纳米发电机的材料设计与优化提供了重要原子和电子层面的理论依据。

作者介绍

通讯作者

吴 宁

中国科学院北京纳米能源与系统研究所助理研究员。主要从事摩擦纳米发电机、摩擦学及材料表界面物理等方面的研究。研究体系涵盖多种材料，包括极性半导体、钙钛矿、石墨烯以及聚合物等，并持续以开放的视角探索新型材料体系及其物性规律。在Nature Communications、Advanced Functional Materials、Friction等期刊上发表论文20篇。

通讯作者

Morten Willatzen

中国科学院北京纳米能源与系统研究所资深研究员。主要从事纳米材料声学、光学及电学等物理性质的建模与模拟研究，重点聚焦压电半导体材料的电子学性质及其在压电电子学中的应用。研究内容涵盖压电电子学理论与器件的模拟与设计，并拓展至声学性质调控、多功能光电耦合器件及新型压电感应与执行器件等方向。

通讯作者

骆健俊

中国科学院北京纳米能源与系统研究所副研究员。主要从事微纳能源器件与自驱动系统的研究。近年来以第一作者或通讯作者在Nature Food、Nature Communications、Science Advances、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Materials Science and Engineering: R: Reports、ACS Nano等期刊上发表论文20余篇，论文总引用7000余次，H因子43，连续三年入选Elsevier全球前2%顶尖科学家榜单（2023-2025）。

期刊介绍

发 展 历 程

2022年7月17日

期刊首刊发布仪式

2023年3月10日

期刊编委会在中国国际钠离子电池前沿技术与产业发展论坛期间举办

2023年3月11日

高级编委聘任仪式在中国国际钠离子电池前沿技术与产业发展论坛上举行

2023年5月

被国际知名学术期刊数据库DOAJ收录

2024年3月10日

助力第二届中国国际钠离子电池前沿技术与产业发展论坛

2024年4月16日

被ESCI数据库收录

2024年9月20日

助力2024纳米材料与器件创新发展大会

2024年11月16日

助力2024世界青年科学家峰会新能源技术论坛

2025年6月18日

获得首个影响因子=12

2025年7月18日

被EI数据库收录

2025年8月16日

被Scopus数据库收录

2025年8月21日

助力2025全省特种电池材料与技术重点实验室正式启动

2025年11月26日

2026年3月24日

入选新锐分区（原中科院分区）

Carbon Neutralization（《碳中和研究》期刊）是温州大学与Wiley共同出版的国际性跨学科开放获取期刊，立志成为综合性旗舰期刊。期刊于2022年创刊，名誉主编由澳大利亚新南威尔士大学Rose Amal院士担任，主编由温州大学校长赵敏教授和温州大学碳中和技术创新研究院院长侴术雷教授担任，编委会由来自11个国家和地区的28名国际知名专家学者组成，其中编委会19位编委入选2025年度全球“高被引科学家”。且期刊已被ESCI、Scopus、EI、CAS、DOAJ数据库收录，入选为中国科技期刊卓越行动计划二期高起点新刊、新锐分区，并于2025年获得首个影响因子12。

Carbon Neutralization（《碳中和研究》期刊）重点关注碳利用、碳减排、清洁能源相关的基础研究及实际应用，旨在邀请各个领域的专家学者发表高质量、前瞻性的重要著作，为促进各领域科学家之间的合作提供一个独特的平台。

一审 |

骆健俊

二审 |

谢棉棉

三审 |

侴术雷

在线投稿

wiley.atyponrex.com/journal/CNL2

期刊编辑部

carbon-neutralization@wzu.edu.cn.

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