成果简介
三电纳米发电机（TENGs）结构简单、制造成本低，而且适合收集低频机械能，因此为收集绿色能源提供了一种新方法。以往的研究主要集中在三电荷的产生、存储或损耗等单一因素对 TENG 电输出的影响。本文，西南交通大学Shun Li、Zhiyong Fan 《Nano Energy》期刊发表名为“Enhanced performance of TENG through graphene oxide and transition layer coupling: Achieving green energy harvesting and powering wearable devices”的论文， 研究通过引入氧化石墨烯 (GO) 增强了三电荷的产生，并通过聚酰亚胺 (PI) 薄膜作为过渡层降低了电荷损耗。通过两者的结合，我们最大限度地提高了 TENG 的电输出性能。
优化后的TL-TENG的ISC、VOC和电荷分别为33.23μA、318.52V和 152.03nC，最大输出功率为2.6W/m2。结果表明，过渡层带来的性能提升超过了单纯的 GO，这可能是因为过渡层将电子漂移率降低了 97.37%。此外，TL-TENG 还具有出色的机械耐久性，在 5×104 次接触分离循环后，ISC 下降率仅为 2.25%。该装置还显示出有效的金属防腐性能，并能从机械振动和人体运动中获取能量，为至少 107 个 LED 供电，支持数码手表等小型电子设备。这项研究成果有望为可穿戴设备提供可靠的能源，并为设计高性能 TENG 提供理论指导。
图文导读
图1.（a） GO@PVDF 和 GO@PVDF/PI 膜的制备过程。（b） TL-TENG 结构示意图。（c） 工作周期内的电流信号。（d） TL-TENG 的工作原理图。
图2.WTL-TENG 电输出性能的正交实验。
图3.（a） 1.25% GO@PVDF 胶片的 EDS 分析。（b） 0% GO@PVDF 和 1.25% GO@PVDF 薄膜的 SEM 和 （c） 表面 AFM 图像（插图对应于三维形态）。GO@PVDF 薄膜的 （d） XRD、（e） FTIR、（f） 介电常数和 （g） 电导率测量。
图4.TL-TENG 的不同过渡层厚度：（a） 短路电流，（b） 开路电压和 （c） 电荷量。三种 TENG 的电输出性能比较：（d） 短路电流、（e） 开路电压和 （f） 充电量。
图5：（a-d)GO@PVDF 和 GO@PVDF/PI 膜中负电荷的复合过程。e）使用 KPFM 检测的三种薄膜的表面电位分布。(f) 检测电路原理图和实物图和 (g) 实验结果。
图6、压电和性能测试
图7.（a） 阴极保护装置的示意图。（b） 不同条件下碳钢表面的形貌变化。（c） EIS 分析和 （d） 碳钢与 TL-TENG 耦合和解耦的塔菲尔极化曲线。（e） 至少点亮 107 个蓝色 LED。（f） 从人体运动中收集能量，为数字手表供电。
小结
本研究通过一种简单的方法成功制备了一种高性能 TL-TENG 材料，实现了三电荷产生和损耗的耦合优化。结果表明，GO 和 PI 薄膜会显著影响 TENG 的电输出性能。随着 GO 含量的增加，薄膜中的β相含量逐渐增加，并在 1.25% 时达到饱和，而介电常数在 1.75% 时提高了 51%。然而，过量的 GO 会增加薄膜的导电性，导致三电荷更容易与电极中的正电荷重组，增加电荷损耗。根据三种成分的相互作用，1.25% 的 WTL-TENG 显示出最佳的电输出性能。与 WTL-TENG 相比，引入不同厚度的 PI 薄膜可有效减少三电荷损耗，从而显著提高 TL-TENG 的电输出性能。KPFM 结果显示表面电位逐渐降低，这证实了 GO 和 PI 膜的组合在提高 TENG 的电输出性能方面的有效性。与添加 GO 相比，过渡层对 TENG 性能的改善更为显著，这可能是因为过渡层将电子漂移率降低了 97.37%。在 7.5 MΩ 的外部负载下，1.25% TL-TENG 的最大功率密度达到 2.6 W/m²，并在 86 秒内将 33 μF 的电容器充电至 4 V。在 5×104 次触点分离后，ISC 仅下降了 2.25%，显示了器件的稳定功率输出。此外，这种 TL-TENG 还能有效保护金属，并从振动和人体运动中收集能量，足以为数字手表供电和点亮 107个LED。总之，改进电荷生成和减少损耗可有效提高 TENG 性能，为设计高输出 TENG 器件提供宝贵的见解。
文献：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110436
本文来自材料分析与应用，本文观点不代表石墨烯网立场，转载请联系原作者。
