【Adv. Compos. Hybrid Mater.】将石墨烯量子点协同集成到MOF-5中以增强摩擦纳米发电机的性能

研究背景

可穿戴设备、物联网设备和传感器的普及不断增加人们对可持续和可靠电源的需求。然而，传统化学电池在功率密度低和制造问题方面面临诸多挑战，人们开始寻找更能融入日常生活能源利用的替代品 。摩擦纳米发电机（TENG）已成为一种有前途的技术，它能够将环境中浪费的机械能转化为可持续的电能，具有高输出性能、高能量转换效率和材料选择多等优势。近年来，基于摩擦电效应和静电感应的 TENG 设备具有检测和解释各种信号的卓越能力，包括位移和加速度等机械指标、助听器麦克风等应用中使用的声学信号，甚至紫外线等光信号。此外，TENG 已被广泛研究并用作化学和生物医学传感器，突显了其在各种科学和实践领域的适应性和前景。

TENG 具有高阻抗特性（以 MΩ-GΩ 为单位），能够产生高压（超过几十伏到几千伏）和低电流输出特性（几微安到几十微安）。这些高压摩擦纳米发电机（HV-TENG）作为安全高效的高压电源具有巨大潜力，与传统高压技术相比具有明显优势。然而，目前 HV-TENG 可以支持的高压应用范围有限，主要是因为摩擦感应电荷的可持续性不足。克服这一挑战需要材料科学的进步来产生高压输出和高电荷传输能力。

文章概述

本研究重点关注石墨烯量子点 (GQDs) 作为填料与功能性金属有机骨架-5 (MOF-5) 材料的集成。通过表面改性掺杂策略合成与石墨烯量子点 (GQD) 集成的 MOF-5，引入了强给电子表面官能团，从而制成了高性能 TENG。当将 GQD 与 MOF-5 添加到复合材料中时，它们的小尺寸和表面化学性质使其能够在各种基质中更好地分散，从而改善电子结构、增强载流子迁移率并提高电导率。此外，由于 GQD 具有量子限制效应和边缘效应等独特性质，因此可以增加材料的工作活性表面积，同时通过提供这些有效的电荷传输途径，石墨烯显著提高了TENG的输出性能。结果表明，与未改性的 MOF-5 相比，GQDs@MOF-5 改性正极层显著提高了摩擦电性能。由于 GQDs@MOF-5 具有改进的表面特性和电子给体能力，与未改性的 MOF-5 TENG 相比，所提出的 TENG 的功率密度实现了显著的九倍提高（~378.51 至 2971.80 μW/cm²），电压和电流输出分别达到了约 885 V 和约 84 µA 的历史新高。以“Synergistic integration of graphene quantum dots into metal–organic framework-5 for enhancing triboelectric nanogenerator performance”为题发表在Advanced Composites and Hybrid Materials 上。通讯作者为济州国立大学Jinho Bae团队。

原文链接：https://doi.org/10.1007/s42114-024-00980-w

图文导读

图1. a) MOF-5 和 GQDs@MOF-5 合成示意图。(b) MOF-5 和 GQDS@MOF-5 的电位分析曲线和 (c) MOF-5 和 GQDS@MOF-5 的电位值

图2. (a) MOF-5 和 GQD@MOF-5 基 TENG 在垂直接触-分离模式下工作机制示意图，即接触、分离、分离和用电子/电流模型按压。MOF-5 (b) 和 GQD@MOF-5 (c) 基 TENG 在工作周期的每个步骤中的表面电荷转移过程模型（EC-导带；EV-价带；中性表面态能级）

图3. MOF-5 和 GQDs@MOF-5 的形态分析和元素分布图。(a–b) 分别在 1.00 kx 放大水平下对 MOF-5 和 GQDs@MOF-5 的扫描电子 SEM 图像，而插图显示其在 40.00 kx 放大水平下的高放大图像。图 (c) 显示了 MOF-5 的相应元素分析，图 (d) 显示了 GQDs@MOF-5 的相应元素分析，插图表中显示了每种元素的重量百分比。MOF-5 和 GQDs@MOF-5 的碳 (C)、氧 (O)、锌 (Zn) 和氮 (N) 元素分布图，分别如图 (C1 至 C4) 和图 (d1 至 d4) 所示

图4. (a) MOF-5 和 GQDs@MOF-5 的 XRD 谱图，(b) MOF-5 和 GQDs@MOF-5 的 FTIR 光谱，(c) MOF-5 和 GQDs@MOF-5 的紫外可见吸收光谱，(d) MOF-5 和 GQDs@MOF-5 的拉曼光谱，以及 (e) MOF-5 和 GQDs@MOF-5 的 BET 分析

图5. MOF-5 TENG 器件与 GQDS@MOF-5 TENG 器件的输出电压 (a) 和输出电流 (b) 比较。研究不同电负性层（纤维素、木质素、PET、PTFE）对基于 GQDs@MOF-5 摩擦正性层的 TENG 器件的输出电压 (c) 和输出电流 (d) 的影响。研究不同施加频率（2、4 和 5 Hz）对基于 GQDs@MOF-5 摩擦正性层的 TENG 器件的输出电压 (e) 和输出电流 (f) 的影响

图6. 基于 MOF-5 (a) 和 GQDs@MOF-5 (b) 的 TENG 器件在可变负载电阻下的功率密度。(c) 极性切换测试。(d) 基于 GQDs@MOF-5 的 TENG 器件在不同湿度条件下的输出电压。(e) 器件的稳定性和耐用性

图7. (a) 基于桥式整流器的电源管理电路，用于为电容器、电力电子设备和 LED 充电。(b–e) 未修改的 MOF-5 TENG 和 GQDs@MOF-5 TENG 设备对各种电容器（0.22 µF、1 µF、4.7 µF 和 10 µF）充电曲线的比较。带电计算器背面 (f) 和正面 (g) 的数字图像。(h–k) 通过桥式整流电路直接为 300 个 LED 和单词“OISE”供电的电路图和图像。GQDs@MOF-5 TENG 设备作为自供电传感器用于生理运动监测：在各种活动中测量输出电压响应，包括 (l) 单指交互、(m) 手掌敲击、(n) 行走和 (o) 跳跃运动

图8. 车速监测应用。(a-i–a-iii) 低重量车辆车速监测示意图，其中 GQDs@MOF-5 TENG 用作速度检测器。(a-iv–a-vii) 响应车辆的低速、中速和高速的相应输出信号。(b-i) 重型车辆车速检测技术设置的示意图，其中 GQDs@MOF-5 TENG 用作速度检测器。(b-ii-b-v) 响应车辆的低速、中速和高速的相应输出信号

结论

本研究将 GQDs 集成到 MOF-5 中使 TENG 的性能有了显著的飞跃，例如 GQDs@ MOF-5 TENG 的输出电压达到前所未有的约 885 V，短路电流约为 85 μA，功率密度高达 2971.8073 µW/cm²。实验数据和表征技术证实了 GQD 掺杂的有效性，揭示了复合薄膜表面粗糙度、介电性能和表面电位的多方面改进。这些增强功能的融合协同促进了 GQDs@MOF-5 TENG 中观察到的高输出性能，突显了 GQD 的加入对摩擦电电荷转移机制的深远影响。值得注意的是，所提出的 TENG 的持续耐用性很好，在超过 30,000 次循环的延长测试期内展示了最佳性能,这种长寿命凸显了 GQDs@MOF-5 TENG 的实际可行性和可靠性。除了实验室指标之外，GQDs@MOF-5 TENG 在为商用电容器充电方面表现出色，将其实用性扩展到生物机械能量收集、生理运动监测和车速识别等各种应用。这些应用不仅提高了用户的舒适度和可用性，而且还拓宽了 TENG 在关键科学和技术领域的部署范围。本研究成果为更广泛地利用基于 MOF 的 TENG 奠定了基础，有望实现该领域的范式转变，并激发能量收集方面的进一步创新。这项研究为高性能 TENG 设备的探索提供了一个战略框架，为未来从环境机械能中获取能量的进步铺平了道路。