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廈門(mén)大學(xué)馬來(lái)西亞分?！禔FM》：納米發(fā)電機(jī)方面取得重要進(jìn)展！

2022.11.12 江西

在這個(gè)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，技術(shù)的快速發(fā)展增加了便攜式電子產(chǎn)品和智能傳感器在我們?nèi)粘Ｉ钪械氖褂?，從而?dǎo)致了能源需求的上升。然而，這些微型電子設(shè)備仍然依賴(lài)電池作為其主要電源。電池含有有害化學(xué)物質(zhì)，由于處置或回收方法不當(dāng)而造成環(huán)境污染。此外，電池的有限壽命要求它們不斷充電或更換。因此，開(kāi)發(fā)替代的可持續(xù)能源來(lái)取代電池是至關(guān)重要的。當(dāng)前有前景的替代方案之一是自供電系統(tǒng)，從環(huán)境中獲取能量并可持續(xù)地提供給這些電子設(shè)備。特別是，機(jī)械能是豐富的，很容易從我們周?chē)沫h(huán)境中獲得，包括人類(lèi)運(yùn)動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)、水流、風(fēng)等。因此，機(jī)械能采集器，即摩擦電納米發(fā)電機(jī)(TENG)和壓電納米發(fā)電機(jī)(PENG)，由于能夠有效地收集環(huán)境中的機(jī)械能并將其轉(zhuǎn)化為電能，近年來(lái)受到了極大的關(guān)注。

為了彌補(bǔ)單一納米發(fā)電機(jī)的缺陷，來(lái)自廈門(mén)大學(xué)馬來(lái)西亞分校的學(xué)者在連續(xù)接觸-分離循環(huán)中，通過(guò)協(xié)同高的摩擦輸出電壓和壓電輸出電流，開(kāi)發(fā)了復(fù)合型壓電/摩擦電納米發(fā)電機(jī)(H-P/TENG)。尤其是壓電型氧化鋅，由于具有沿c軸擇優(yōu)取向和可調(diào)生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。在這種情況下，在H-P/TENG中加入了不同的生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)、無(wú)取向的、取向的和層次化的結(jié)構(gòu)，使其功率密度從6倍提高到17倍。特別是，有取向的氧化鋅納米棒/聚乙烯醇(ZnR)的最大功率密度達(dá)到15.9W m^?²(≈是PVA的17倍)。沿c軸的高度取向的氧化鋅生長(zhǎng)使垂直壓縮時(shí)的大變形，隨后產(chǎn)生大的壓電極化。

此外，利用修正的重疊電子云模型，結(jié)合開(kāi)爾文探針力顯微鏡的測(cè)量，本研究揭示了通過(guò)壓電極化的增強(qiáng)機(jī)制。氧化鋅納米復(fù)合材料的極化擴(kuò)大了兩個(gè)摩擦電層之間的最高電子能量(ΔE)之差，從而驅(qū)動(dòng)更多的電子在接觸帶電過(guò)程中轉(zhuǎn)移，從而豐富了它們的表面電荷密度。這項(xiàng)工作強(qiáng)調(diào)了生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)控制對(duì)于最大化氧化鋅的壓電響應(yīng)，從而改善H-P/TENG的輸出性能。相關(guān)文章以“Modulating ZnO Growth Structures for Maximum Power Output of Hybrid Piezo/Triboelectric Nanogenerator”標(biāo)題發(fā)表在Advanced Functional Materials。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202206750

圖1. 非定向生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的SEM圖像：a）氧化鋅納米片（ZnS）和b）氧化鋅納米板（ZnP）；定向生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)：c）氧化鋅納米線（ZnW）和d）氧化鋅納米棒（ZnR）；分層生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)：e）花瓣-氧化鋅納米分支（P-ZnB）和f）棒-氧化鋅納米分支（R-ZnB）納米組合物

圖2. ZnO/PVA納米復(fù)合材料（摩擦正電）與硅橡膠（SR）（摩擦負(fù)電）作為T(mén)ENG的示意圖。

圖3. a）以PVA為參照物，b）無(wú)取向（ZnS和ZnP），c）有取向（ZnW和ZnR），以及d）分層生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)（P-ZnB和R-ZnB）在50 N恒定施力下的開(kāi)路電壓V_oc、短路電流密度J_sc、短路電荷密度Q_sc；e）強(qiáng)制依賴(lài)測(cè)試和f）ZnO/PVA納米復(fù)合材料在60 N施力下對(duì)SR的功率輸出

圖4.a）拉曼光譜。b）原始PVA和ZnO/PVA納米復(fù)合材料的X射線衍射（XRD）；c）ZnO納米棒的透射電子顯微鏡（TEM）圖像。d，e）ZnO納米棒的高分辨率（HRTEM）圖像，插圖顯示相應(yīng)的FFT圖像。

圖5：a）六方烏爾茲體ZnO的晶體結(jié)構(gòu)，藍(lán)色球體代表Zn原子，紅色球體代表O，黃色棒代表Zn₂-O₁鍵，黑色棒代表Zn₁-O₁鍵。c) H-P/TENG通過(guò)周期性接觸分離過(guò)程的工作機(jī)制。d) 示意圖顯示ZnO具有不同的生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)：無(wú)取向、有取向和分層，在施加垂直壓縮力時(shí)經(jīng)歷不同程度的變形。

圖6. 修改后的重疊電子云（OEC）模型闡明了壓電極化對(duì)三電層之間CE的影響。示意圖顯示了兩個(gè)三電層在CE前后的電子云和勢(shì)能剖面：a）PVA和SR，b）ZnP和SR，c）ZnR和SR，以及d）R-ZnB和SR

圖7. 使用COMSOL Multiphysics模擬的a）PVA與SR，b）ZnP與SR，c）ZnR與SR，以及d）R-ZnB與SR的電勢(shì)分布。

圖8.a）由ZnR和SR組成的H-P/TENG對(duì)電容的充電行為，電容范圍為1至330μF。b）ZnR/SR的H-P/TENG在2Hz和50N下點(diǎn)亮57個(gè)LED。

本研究合成并表征了具有不同生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的ZnO/PVA納米復(fù)合材料：無(wú)取向、有取向和分層結(jié)構(gòu)。本研究證明了不同的氧化鋅生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)H-P/TENGs的輸出性能有重大影響。通過(guò)調(diào)整氧化鋅的生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)沿極性c軸的方向受到影響。特別是，與原始PVA相比，具有沿c軸高度定向生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的ZnR表現(xiàn)出最高的電輸出增強(qiáng)，其功率密度達(dá)到15.9 W m^-2（≈17倍的增長(zhǎng)）。這表明，沿c軸方向的ZnO生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)在垂直壓縮時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)高度的Δd，最終改善壓電極化。此外，一個(gè)修正的OEC模型解釋了壓電極化引起的增強(qiáng)機(jī)制，并得到KPFM結(jié)果的支持。加入ZnR后，由于ZnR產(chǎn)生的高壓電極化，功函數(shù)從5.038 eV下降到4.475 eV。這增加了ZnR納米復(fù)合材料和SR之間的ΔE，促進(jìn)了CE期間更多的電子轉(zhuǎn)移，增加了它們的表面電荷密度和功率密度。此外，ZnO在PVA中的加入也增加了H-P/TENGs的電勢(shì)，這一點(diǎn)在COMSOL模擬中得到了證明?？傊@項(xiàng)工作證明，氧化鋅的生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)控制對(duì)于提高H-P/TENGs的輸出性能至關(guān)重要。（文：SSC）

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