张盼盼：MXene增强聚乳酸内源性摩擦纳米发电机性能研究【JMCA, 2022】

发布时间：2022-11-21       阅读：0次

摩擦纳米发电机（TENG）可以直接将环境中的机械能转化为电能，为微电子设备供电，具有制备简单、环境友好、便携、多功能等优点。内源性TENG的摩擦电是由薄膜内部纤维之间摩擦产生的，具有一体式结构，无需特殊设计去控制两个摩擦层之间的距离，便于器件制造和使用，其使用方式与压电纳米发电机一样，便于封装。据报道，具有不同摩擦电性能的纤维基体与填料之间摩擦可以产生较大的摩擦信号，但现今关于纤维中基体-填料间的接触提升内源性TENG性能的研究很少。

针对以上问题，我校材料科学与工程学院硕士研究生张盼盼在佟望舒副教授、张以河教授和安琪教授的共同指导下，添加高负电性MXene填料到聚乳酸（PLA）纤维中，通过填料在基体中的含量和分布优化提升其内源性TENG的发电性能。这项工作的创新之处如下：

（1）纤维间接触点定量分析

聚乳酸（PLA）是一种生物可降解材料，具有优异的生物降解性和高正电荷亲和力。PLA静电纺丝纤维薄膜在外力下，纤维之间相互接触分离，产生内源性摩擦电信号。通过SEM对纤维形貌、尺寸进行详细分析，计算出纤维间接触点数量，在纺丝电压为18 kV时具有最大的纤维间接触点数量和发电性能，如图1所示。

（2）优异的内源性摩擦电性能

在最优纺丝条件下，加入高负电性MXene填料，由于PLA和MXene之间的摩擦发电性能高于PLA和PLA之间的摩擦发电性能，MXene/PLA复合纤维薄膜内源性摩擦纳米发电机产生了16 V的开路电压、1.2 μA的短路电流和7 nC的电荷量，其输出功率为4.55 μW/cm²，相对于纯PLA纤维薄膜，其发电性能提高了4倍多。此外，该内源性TENG不受外力、频率等外界因素的影响。

（3）结构优化促进摩擦电性能的提升

混纺工艺优化了MXene填料在PLA丝中的位置分布，增加了填料MXene与纤维基体PLA之间的接触位点，增强了该内源性摩擦纳米发电机的输出性能，相较于结构优化前，输出性能提高了16.9倍，如图2所示。

图1  PLA基内源性TENG的电性能表征. (a)设备示意图; (b)PLA内源性TENG的工作机理图; (c、d)不同纤维直径PLA薄膜的开路电压、短路电流; (e)不同制备电压下PLA纤维薄膜中的纤维接触点数量

图2 不同结构内源性TENG的发电机理及输出性能表征. (a)PLA、PMX、B-M、D-M纤维薄膜的发电机理示意图; (b-d) PLA、PMX、B-M、D-M薄膜的开路电压、短路电流和电荷量; (e)输出电压和功率; (f) B-M薄膜的稳定性测试

上述研究成果发表于材料领域国际权威期刊《Journal of Materials Chemistry A》上：Panpan Zhang, Wangshu Tong*, Ce Liang, Yiyuan Chen, Yulun Liu, Zhihao Wang, Yihe Zhang*, Enhancing the endogenous triboelectricity of a polylactic acid nanofiber film by controlling the MXene content and distribution, Journal of Materials Chemistry A, 10 (2022) 16646-16654. [IF 2022=14.511]

全文链接：https://doi.org/10.1039/D2TA05905C