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  納米摩擦發(fā)電作為新興的納米能源技術，被用于機械能-電能的轉換收集。通常，納米摩擦發(fā)電機（TENGs）在常溫環(huán)境下進行應用，而在一些極端條件下，例如在火電領域和航空航天領域的高溫環(huán)境服役，TENGs的應用仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。TENGs由正極和負極摩擦材料組成，前者包括金屬，碳和聚合物等，其中一些可以滿足耐火阻燃和熱穩(wěn)定性的要求，而后者主要是聚合物材料，阻礙了TENGs在極端條件下的使用。例如，聚四氟乙烯（PTFE）作為最廣泛使用的摩擦負電材料，在400℃以上或遇火時會產生劇毒物質。另一種常用的摩擦負電材料，聚二甲基硅氧烷（PDMS），它的使用溫度低于200 ℃。因此，制備具有高溫穩(wěn)定性和阻燃性的摩擦負電材料對于TENGs在極端條件下的應用十分重要。

  近期，中國科學院化學研究所高分子物理與化學實驗室趙寧研究員和徐堅研究員課題組以聚對苯撐苯并二噁唑氣凝膠（PBOA）作為摩擦負電材料用于組裝納米摩擦發(fā)電機。由于氣凝膠的大孔隙率和高比表面積（圖1），所得TENGs的開路電壓（V_OC），短路電流密度（J_SC）和電荷密度分別為40 V，2.9 mA m^-2和72 μC m^-2。不具有孔結構和表面微結構的PBO膜所能產生的電荷密度有限，因而輸出電流和電壓遠不及PBOA（圖2）。所以高比表面積和高孔隙率有助于靜電電荷的產生和儲存，從而提高TENG的輸出性能。

圖1. PBOA膜（a）的實物照片和（b, c）SEM照片。

圖2.（a, b）PBO膜的SEM照片；PBOA膜和PBO膜組裝TENG的（c）開路電壓和（d）短路電流密度；（e）PBOA膜和（f）PBO膜組裝TENG的摩擦發(fā)電機制。

  為了進一步證明PBOA在高溫條件下的潛在應用，將其與鋁箔配對以制備高溫用PBOA/Al TENG（圖3）。在350 ℃的高溫下，PBOA/Al TENG仍然可以表現出32 V的V_OC，1.2 mA m^-2的J_SC和32 μC m^-2的電荷密度。該裝置可以點亮36個LED燈泡，并在250秒內將電容器充電至10 V（圖4）。該裝置同時還可用作自供電，高靈敏度傳感器，用于監(jiān)測人體運動甚至輕微碰撞，脈沖僅為3μNs（圖5）。

圖3.（a）PBOA/Al TENG的示意圖。（b）在不同溫度下進行的PBOA/Al TENG的開路電壓和（c）電流密度。

圖4.（a）TENG、整流橋和LED燈的電路示意圖。（b）TENGs工作點亮LED燈。（c）TENGs為電容器充電。

圖5. （a）粘接TENG的手指處于伸直和彎曲狀態(tài)。（b）手指伸直和彎曲時產生的電流脈沖信號。（c）5 μL水滴自由下落至TENG上表面，（d）并產生電信號。

  由PBOA組裝納米摩擦發(fā)電機表現在火電領域和航空航天等高溫服役環(huán)境中具有潛在應用。相關研究成果發(fā)表在Nano Energy上。

  論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221128551930607X