基于铜纳米线-铜网分级结构的介电-电极复合材料及其在摩擦纳米发电机中的运用

【引言】

近来，在各种针对环境中可再生能源的回收技术中，摩擦纳米发电机（TENG）受到了越来越多的关注。自其问世以来，摩擦纳米发电机已经被广泛的应用于回收环境中的各种机械能并将其转化为电能。通常研究人员通过设计和制备具有复杂微纳结构的高分子材料薄膜作为摩擦材料以提高发电机性能。组装时，通常将高分子摩擦材料粘贴在平坦的铝铂或者铜铂上。因此，高分子摩擦材料和电极之间的结合往往比较弱。另一方面，研究发现在通过表面具有微纳结构的摩擦材料增强摩擦生电效应的同时，还需要增强纳米发电机本身的电荷储存能力以确保产生的电荷能尽可能的被纳米发电机储存利用。这是由于摩擦纳米发电机本身可以看成是一个理想电源与电容器的串联。而我们知道，对于平板电容而言，增强其电容量有以下几种方式，一是提高介电材料的介电常数；二是减小两电极之间距离；三是增加电极的表面积。目前为止，针对前面两点，摩擦纳米发电机的研究人员开发了具有高介电常数的新型高分子材料；或者受到外力时会被压缩以至厚度减小的具有多孔结构的高分子材料以实现提高电容能力的目的。但是，对于提高电极材料表面积对摩擦纳米发电机性能影响的研究还比较少。

【图文介绍】

近日， 韩国科学技术院（KAIST）的Il-Kwon OH教授课题组在Nano Energy 上发表了题为 “Integrated dielectric-electrode layer for triboelectric nanogenerator based on Cu nanowire-mesh hybrid electrode” 的研究论文。本文以商业铜网为基础材料在上面原位生长Cu(OH)₂纳米线然后将其退火转化为CuO纳米线，最后将其还原为Cu纳米线。这样就得到了负载Cu纳米线的铜网材料。接着将聚二甲基硅氧烷（PDMS）喷洒到该材料上作为摩擦层材料。该介电-电极复合材料的优势在于成本低利于大面积制备。同时，该材料具有高机械强度，其粗糙表面有利于摩擦生电效应。而且该材料的电极具有较大表面积，有利于提升器件电容能力，进一步提高发电机性能。最后，该介电-电极复合材料被应用到了不同工作模式的纳米发电机中显示了其广泛的运用前景。

图1.

a）PDMS包覆的结构的铜纳米线-铜网介电-电极复合材料的制备步骤；

b）基于该介电-电极复合材料的垂直接触分离模式TENG；

c）基于该介电-电极复合材料的单电极模式TENG；

d）基于该介电-电极复合材料的风力驱动TENG。

图2.

a）到 d） 各制备步骤产物的SEM图片；

e）个步骤产物的XRD图谱；

 f）PDMS包覆的铜纳米线-铜网复合材料的SEM图片及局部放大图。

图3.

a）与 b)  基于PDMS 包覆的不同电极材料的单垂直接触分离模式的TENG 的开路电压与短路电流对比；

c) 基于PDMS 包覆的不同电极材料的单垂直接触分离模式的TENG 的电荷密度对比；

d）PDMS 包覆的不同电极材料的切面SEM图片；

e) 与 f) 基于PDMS 包覆的铜纳米线-铜网TENG的输出电压电流和输 出功率对外部负载电阻的依赖性；

g) 基于PDMS 包覆的铜纳米线-铜网TENG的输出电压电流对作用频率 的依赖性（作用力为30 N）;

h) 基于PDMS 包覆的铜纳米线-铜网TENG的输出电压电流对作用力的依赖性（作用频率为 10 Hz）;

i) 基于PDMS 包覆的铜纳米线-铜网TENG的输出功率与常见基于PDMS为摩擦材料的TENG的性能对比;

图4.

a）基于PDMS 包覆的铜纳米线-铜网的单电极模式TENG光学照片；

b）到 d）将该单电极模式TENG从20 cm高处自由落体，并运用产生的电能点亮400只串联的LED；

e) 与 f) 将该单电极模式TENG置于衣物口袋中，通过拍打口袋外部产生的电能点亮100只串联的LED；

g）与 h）运用该单电极模式TENG对电容充电，进一步用电容为电子表供电。

图5.

a）基于PDMS 包覆的铜纳米线-铜网的风能驱动TENG示意图与实物照片；

b) 基于PDMS 包覆的铜纳米线-铜网的风能驱动TENG 的开路电压与短路电流；

c) 该风能驱动TENG 的开路电压与短路电流随着风速的变化；

d) 该风能驱动TENG的输出电压电流以及功率对外部负载电阻的依赖性（风速为16 m/s）；

e) 该风能驱动TENG的输出功率与常见风能驱动TENG输出功率的性能对比。

【小结】

综上所述，本工作提出了一种介电-电极复合材料的制备方法。首先在铜网基底上原位生长Cu(OH)₂ 纳米线，进一步通过退火还原等步骤得到Cu纳米线。用PDMS将Cu纳米线-Cu网复合结构包裹起来得到介电-电极复合材料。该材料表面继承了铜网的粗糙结构有利于摩擦生电。同时该材料的电极具有较大的比表面积增强了PDMS与电极的结合强度也增强了该材料的电容能力，有利于进一步提高摩擦纳米发电机的稳定性和输出性能。有该介电-电极复合材料可运用于垂直接触分离模式、单电极模式以及风力驱动模式的纳米发电机中，并显示了较好的性能。比如，通过将大面积的（11 cm × 11cm）单电极模式TENG从20 cm 高度自由落体，产生的电能可以点亮400只串联的LED。而基于该材料的风力驱动TENG在风速为10.6 m/s 时开路电压和短路电流分别为150 V 和 45 μA。

文章链接：Integrated Dielectric-Electrode Layer for Triboelectric Nanogenerator based on Cu Nanowire-Mesh Hybrid Electrode (Nano Energy, 2019, https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.02.022)

本文由韩国科学技术院（KAIST）的Il-Kwon OH教授课题组供稿，材料人编辑部Alisa编辑。

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