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中科院化学所赵宁研究员和徐坚研究员课题组:阻燃聚苯并噁唑气凝胶组装极端条件下服役纳米摩擦发电机
2019-08-12  来源:高分子科技

  纳米摩擦发电作为新兴的纳米能源大发排列3,被用于机械能-电能的转换收集。通常,纳米摩擦发电机(TENGs)在常温环境下进行应用,而在一些极端条件下,例如在火电领域和航空航天领域的高温环境服役,TENGs的应用仍然是一个巨大的挑战。TENGs由正极和负极摩擦材料组成,前者包括金属,碳和聚合物等,其中一些可以满足耐火阻燃和热稳定性的要求,而后者主要是聚合物材料,阻碍了TENGs在极端条件下的使用。例如,聚四氟乙烯(PTFE)作为最广泛使用的摩擦负电材料,在400℃以上或遇火时会产生剧毒物质。另一种常用的摩擦负电材料,聚二甲基硅氧烷(PDMS),它的使用温度低于200 ℃。因此,制备具有高温稳定性和阻燃性的摩擦负电材料对于TENGs在极端条件下的应用十分重要。

  近期,中国科学院化学研究所高分子物理与化学实验室赵宁研究员和徐坚研究员课题组以聚对苯撑苯并二噁唑气凝胶(PBOA)作为摩擦负电材料用于组装纳米摩擦发电机。由于气凝胶的大孔隙率和高比表面积(图1),所得TENGs的开路电压(VOC),短路电流密度(JSC)和电荷密度分别为40 V,2.9 mA m-2和72 μC m-2。不具有孔结构和表面微结构的PBO膜所能产生的电荷密度有限,因而输出电流和电压远不及PBOA(图2)。所以高比表面积和高孔隙率有助于静电电荷的产生和储存,从而提高TENG的输出性能。

图1. PBOA膜(a)的实物照片和(b, c)SEM照片。

图2.(a, b)PBO膜的SEM照片;PBOA膜和PBO膜组装TENG的(c)开路电压和(d)短路电流密度;(e)PBOA膜和(f)PBO膜组装TENG的摩擦发电机制。

  为了进一步证明PBOA在高温条件下的潜在应用,将其与铝箔配对以制备高温用PBOA/Al TENG(图3)。在350 的高温下,PBOA/Al TENG仍然可以表现出32 V的VOC,1.2 mA m-2的JSC和32 μC m-2的电荷密度。该装置可以点亮36个LED灯泡,并在250秒内将电容器充电至10 V(图4)。该装置同时还可用作自供电,高灵敏度传感器,用于监测人体运动甚至轻微碰撞,脉冲仅为3μNs(图5)。

图3.(a)PBOA/Al TENG的示意图。(b)在不同温度下进行的PBOA/Al TENG的开路电压和(c)电流密度。

图4.(a)TENG、整流桥和LED灯的电路示意图。(b)TENGs工作点亮LED灯。(c)TENGs为电容器充电。

图5. (a)粘接TENG的手指处于伸直和弯曲状态。(b)手指伸直和弯曲时产生的电流脉冲信号。(c)5 μL水滴自由下落至TENG上表面,(d)并产生电信号。

  由PBOA组装纳米摩擦发电机表现在火电领域和航空航天等高温服役环境中具有潜在应用。相关研究成果发表在Nano Energy上。

  论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221128551930607X

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