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  摩擦電電荷密度是評(píng)估各種摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）器件輸出性能的核心參數(shù)，其取決于材料在接觸帶電過程中的摩擦帶電能力。雖然已經(jīng)開發(fā)出如電離空氣注入，低能粒子輻照和流變鍛造等多種材料處理方法以提高材料接觸時(shí)的電荷密度，但空氣擊穿、熱電子發(fā)射等電荷逸散過程仍是進(jìn)一步提高電荷密度的最大障礙。例如，聚四氟乙烯（PTFE）在真空條件下測(cè)得的摩擦電電荷密度可達(dá)0.75 mC·m^-2，而在大氣環(huán)境下此值僅為0.11 mC·m^-2，這表明在TENG的實(shí)際工作過程中存在近85%的電荷損失。因此，非常需要一種能夠克服戶外電荷逃逸的方法，這可能會(huì)給TENG的整個(gè)研究領(lǐng)域帶來革命性的進(jìn)步。

  鑒于此，中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所陳翔宇研究員和王中林院士首次發(fā)現(xiàn)在大氣環(huán)境下，逃逸的電荷可以通過陰離子在接觸界面的選擇性轉(zhuǎn)移得到補(bǔ)償，從而獲得超高的電荷密度。基于此，研究團(tuán)隊(duì)通過萘自由基陰離子來蝕刻PTFE以制備離子化PTFE (I-PTFE)，其在體相中包含有一定量的的萘鈉絡(luò)合離子（[NaNaph]）。在大氣環(huán)境和室溫條件下，I-PTFE作為正摩擦電元件，電暈極化后的氟化乙烯丙烯(FEP，15 μm)作為負(fù)摩擦層材料組成TENG在接觸分離模式獲得了525 μC·m^-2的摩擦電荷密度，在滑動(dòng)模式下這個(gè)值可以超過1.2mC·m^-2，該值是迄今為止在常溫常壓下摩擦起電薄膜的最高記錄，甚至高于此前計(jì)算的空氣擊穿閾值。使用這種I-PTFE薄膜，滑塊尺寸為1cm²的TENG可以輕松點(diǎn)亮360個(gè)LED。這項(xiàng)研究為提升TENG輸出性能開辟了一個(gè)全新的方向，并為全面理解物體接觸起電的微觀機(jī)理帶來了革命性進(jìn)展。作為實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，研究團(tuán)隊(duì)制備了多種應(yīng)用于不同場(chǎng)景的功能性器件，其具有很高的輸出性能和耐久性。研究人員預(yù)期，基于這項(xiàng)研究，可以在摩擦電材料的生產(chǎn)以及TENG的具有多樣化應(yīng)用方面帶來一系列新的突破。相關(guān)研究成果以題為“Radical anion transfer during contact electrification and its compensation for charge loss in triboelectric nanogenerator”發(fā)表在最新一期《Matter》期刊上。

影響摩擦電電荷密度的因素

圖1：影響摩擦電電荷密度的因素

I-PTFE的制備以及TENG的輸出表征