【Nano Energy】瑞典中部大学-通过尼龙和氧化石墨烯之间的氢键增强获得超高电流密度的摩擦纳米发电机

研究背景

摩擦纳米发电机(TENGs)在理论和应用领域方面得到了快速的发展。电荷密度是TENG的一个重要参数，高电流密度可以使器件小型化并可以减少传感器产生可检测信号的能量输入。为了提高电荷密度，研究人员探索了不同的表面处理技术，包括表面图案化、表面改性和复合材料合成等。这些方法都对性能有很大的提高，然而，对复合材料之间的化学相互作用，特别是氢键，还没有得到广泛的研究。此外，摩擦起电产生的表面极化与滞后介质极化耦合也能提高电流密度。

本文旨在探索复合材料中材料之间的化学相互作用，并研究表面极化对电流密度增强的影响。二维(2D)材料，如石墨烯和氧化石墨烯(GO)，其独特的光学和电学性质使石墨烯成为TENG的优良材料。氧化石墨烯具有相对中性的电荷亲和性，但其是一种很容易与其它材料相复合的材料，可以获得更好的摩擦电学性能。

文章概述

摩擦层的摩擦电特性是影响TENG电流密度的重要因素。为了提高电流密度，研究人员开发了复合材料来调整其摩擦电性能。之前的研究表明使用复合材料的 TENG 由于改变了组分使其性能得到了增强，然而对成分之间的化学相互作用的分析较少。瑞典中部大学报告了一种在尼龙滤膜和氧化石墨烯（GO）之间的氢键来引入偶极-偶极相互作用来提高 TENG 电流密度的新方法。拉曼光谱证实了氢键相互作用的发生。通过开尔文探针力显微镜（KPFM）测量进一步分析了氢键的增强机制，表明氢键可以影响涂层GO的表面电位，从而导致尼龙/GO@NFM TENG（NGN-TENG）的输出增加。用2×2 cm² 的NGN-TENG 实现了1757 mA·m^-2 的超高电流密度。此外，展示了 NGN-TENG 作为运动传感器来感知手指运动的可行性。这些发现表明，在 TENG 复合材料中引入氢键可以为提高其性能提供一条有前途的途径。

相关成果以“Triboelectric nanogenerators with ultrahigh current density enhanced by hydrogen bonding between nylon and graphene oxide”为题发表在Nano Energy上。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108737

图文导读

图1 (a)NGN-TENG的制作程序。(b)尼龙滤膜的SEM图像。(c)~(i) GO@NFM在5 ~ 160 μL不同体积的氧化石墨烯下的SEM图像。(j)尼龙薄膜的SEM图像。(k)在聚碳酸酯过滤膜(一种表面平坦的过滤器)上过滤氧化石墨烯(GO)膜(4 μm)的SEM图像。所有SEM图的比例尺:2 μm。(l)氧化石墨烯、尼龙过滤膜和GO@NFM的拉曼光谱。

图2 NGN-TENG的输出性能。(a) NGN-TENG在不同GO@NFM膜的开路电压。x轴表示在尼龙过滤膜上过滤的GO体积(μL)。(b) NGN-TENG在不同GO@NFM膜的短路电流。(c)最大开路电压(a)和短路电流(b)与氧化石墨烯体积的关系图。(d)氧化石墨烯体积为80 μL时，NGN-TENG的输出电压和电流随负载电阻的变化。(e)氧化石墨烯体积为80 μL时NGN-TENG的功率密度。NGN-TENG的大小为2 × 2 cm²。

图3 氢键辅助电荷输运。氢键产生的偶极矩与氧化石墨烯和尼龙薄膜之间的电荷输运方向相匹配。虽然一些氢键可能有相反的效果，但总的效果是促进电荷传递。氧化石墨烯薄膜厚度的差异(tGO)和氢键对电荷输运影响的距离(tH)将决定NGN-TENG的输出。

图4 (a)~(c)氧化石墨烯、涂覆80 μL氧化石墨烯的尼龙过滤膜、尼龙过滤膜的KPFM图像和线廓图。(d) ~(e)样品的表面电位分布。(f)样品的峰值表面电位与氧化石墨烯体积的关系图。

图5 NGN-TENG的应用。(a)由2 × 2 cm²的NGN-TENG点亮的160个LED。(b)使用NGN-TENG(接触分离频率为7 Hz)对1、10和100 μF电容器充电的电路图和电压曲线。(c)手指关节处的运动传感器，显示附着在食指上的NGN-TENG (0.2 × 1.5 cm²大小)以及用于描述弯曲的角度。(d) NGN-TENG测量电压与弯曲角度的关系图;(e)弯曲过程中实时测量数据。(f)和(g)不同弯曲频率下的电压以及电压与频率(g)的关系图。

结论与展望

本文通过尼龙和氧化石墨烯之间的氢键和氧化石墨烯的电荷捕获行为，成功地增强了NGN-TENG中的电流密度。氢键形成的一般偶极矩改变了氧化石墨烯薄膜的表面电位，这一点通过KPFM测量得到了证实。研究结果表明，NGN-TENG的最大电流密度为1757 mA⋅m^-2，功率密度为130 W⋅m^-2，并展示了其作为电源和运动传感器的潜在应用前景。这项研究对化学相互作用(如氢键)在改善摩擦电的电荷转移中的作用提供了重要的见解。总的来说，本文的研究结果有助于开发更高效、更通用的TENGs，并为在高性能TENGs的设计和制造中使用GO和其他2D材料铺平了道路。