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蘭州化物所王道愛研究員團隊 AFM:耐溶脹抗磨PAN/PVA-CaCl?復合膜基耐濕摩擦納米發電機用于海水淡化
2023-10-09  來源:高分子科技

  大氣中的水分會加速摩擦電納米發電機(TENG中摩擦電荷的傳輸和耗散,從而大大降低了TENG的輸出性能和穩定性,限制了其實際應用。為了解決這一問題,研究人員采用超疏水摩擦電材料或封裝包裝制備了各種耐濕TENG。然而,繁瑣、復雜的疏水和包封工藝并不適合于TENG的廣泛應用,也不能完全扭轉TENG性能隨濕度增加而下降的趨勢。因此,Wang等人提出了一種基于淀粉膜的TENG,該TENG在高相對濕度下表現出更好的輸出性能Nano Energy 202077105088。考慮到淀粉膜在高濕環境下機械和摩擦學性能的不足,以及長時間與水接觸容易溶解,Wang等人還設計了一種基于氫鍵增強的聚乙烯醇(PVA)基TENG,具有優異的電荷保持性能和耐濕性能Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2009172。然而,純PVA的固有特性,如吸水速度慢和抗膨脹性差,會損害PVA膜的機械穩定性和滲透性能,而限制了PVATENG在高相對濕度下的實際應用。因此,提高PVATENG在高濕條件下的輸出性能和工作穩定性仍然是一個迫切需要解決的問題。


  近日,中國科學院蘭州化學物理研究所王道愛研究員團隊采用聚丙烯腈/聚乙烯醇-氯化鈣PAN/PVA-CaCl2復合薄膜,設計了一種用于海水淡化的抗膨脹耐濕高性能TENGPPCa-TENG)。與其他制備的膜相比,PAN/PVA-CaCl2復合膜在高濕度下具有更好的吸水速度、抗膨脹性能、機械性能和摩擦學性能。分子動力學模擬結果表明,在高相對濕度下,PAN/PVA-CaCl2復合膜體系中形成了更多的氫鍵。75%相對濕度下,PPCa-TENG的最大短路電流Isc和輸出電壓Vo分別達到52.04 μA941 V,使PVA-TENG的功率提高了約17.39倍。開爾文探針顯微鏡(KPFM結果表明,PAN/PVA-CaCl2復合膜具有較高的摩擦正性。此外,PPCa-TENG作為一種有效、經濟的電源應用于海水淡化,其能耗僅為0.19 kWh m-3。這一數字明顯低于以往工作中報道的由傳統直流電源供電的海水淡化。該工作為設計高濕條件下高性能的TENG提供了一種可行、有效的方法。


1. PAN/PVA-CaCl2復合膜的制備與結構。



2. PAN/PVA-CaCl2復合膜的吸水和溶脹行為。


3. PAN/PVA-CaCl2復合膜的力學性能和摩擦學性能。


4. 高相對濕度下PPCa-TENG的摩擦電性能。


5. PPCa-TENG在海水淡化中的應用。


  該工作以標題“Humidity-Resistant Triboelectric Nanogenerator Based on a Swelling-Resistant and Antiwear PAN/PVA-CaCl2 Composite Film for Seawater Desalination”發表在Advanced Functional Materials上。該工作獲得了中國科學院戰略性先導科技專項B類、國家自然科學基金和山東省泰山學者特聘專家計劃等的支持。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1002/adfm.202306702

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