科学家研制出高分子气凝胶柔性摩擦纳米发电机
随着移动电子产品、可穿戴设备等的飞速发展，人们对便捷、可持续的供电需求日益增长。尤其是电子织物、电子服装，其发展离不开供电设备的小型化和柔性化。因此，通过压电、摩擦电、热电、光电等效应，选择设计具有微纳米结构的材料和器件，收集和存储环境中未被充分利用的机械、物理等能量为电子设备供电，这种绿色、可持续的纳米发电机成为近年来的前沿热点研究标的目的之一。
基于摩擦起电效应和静电感应效应的摩擦纳米发电机（TENG），具有电能输出和能量转换效率高、成本低、制备简易等特点，被认为是具有广阔前景的能源捕捉装置。
摩擦纳米发电机由两种极性不同的材料组装而成，其正极材料通常为金属（如银、铜、铝）或金属氧化物（如氧化锌、氧化铟锡）。然而，金属在环境中易被氧化、腐蚀，且金属氧化物柔韧性欠佳，从而影响到TENG的不变性及应用领域。因此，具有优良不变性和可塑性的高分子正极材料开始受到关注，如聚酰胺、纤维素和聚吡咯等。然而，比拟金属正极材料，高分子作为正极材料的TENG的电信号输出要低得多。因此，亟需提高全高分子基的TENG的电信号输出。
比来，美国威斯康星大学麦迪逊分校的Shaoqin Sarah Gong教授（通讯作者）、Qifeng Zheng博士和华南理工大学Liming Fang拜候教授（共同第一作者）报道了一种基于高分子气凝胶的柔性摩擦纳米发电机（A-NG）。其正极材料为纤维素（CNF）或壳聚糖（CTS）气凝胶膜，负极材料为多孔聚二甲基硅氧烷（PDMS）或聚酰亚胺（PI）气凝胶。比拟对应的实心结构电极，气凝胶电极显著提高了摩擦纳米发电机的输出功率达11倍。
基于高分子气凝胶的摩擦纳米发电机（A-NG）的示意图
该论文还比力了高分子气凝胶电极的材料类型、孔隙率及比表面积等因素对TENG电性能的影响，发现随着正负电极材料极性差异和孔隙率的提高，A-NG的输出电压急剧增加。其中孔隙率为86%的壳聚糖与孔隙率为92%的PI组装的A-NG，在受到~0.03 MPa压力的作用下，可输出60.6V的电压和7.7μA的电流，其面积功率密度达到2.33W/m2，足以驱动LED等器件或为电容器充电。
不同孔隙率的PI气凝胶对P-CTS/P-PI A-NGs电压输出的影
该工作首次将高分子多孔材料同时用作摩擦纳米发电机的正负极，并分析了材料孔隙对TENG电信号输出的影响机理。在正负电极接触分离过程中，除了接触表面产生的正负静电荷，同时孔表面因为静电感应效应亦会产生额外电荷，高比表面累计的额外电荷导致正负电极产生更大的感应电势差，从而显著提高电信号输出。别的，该工作通过化学气相沉积法，对纤维素气凝胶孔隙表面进行氨基硅烷化改性，提高其正电极性，使得TENG的电信号输出比拟改性前提高了3倍。
基于多孔高分子气凝胶的A-NG的摩擦发电机理示意图
该研究利用环保的天然高分子取代昂贵、易腐蚀的金属作为正极材料，通过改变气凝胶孔隙率和表面化学改性等简单方法，调控摩擦纳米发电机的电输出性能，对研发新型电极材料、发展高性能柔性能源捕捉器件有参考价值
