基于生物友好材料殼聚糖的摩擦納米發(fā)電機(jī)的最新研究

日前，國(guó)際權(quán)威期刊Nano Energy雜志發(fā)表了北京航空航天大學(xué)可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院智能檢測(cè)與診斷團(tuán)隊(duì)與中國(guó)工程物理研究院研究生院基于生物友好材料殼聚糖的摩擦納米發(fā)電機(jī)的最新研究成果：“Modulating crystallinity and dielectric constant of chitosan film for triboelectric polarity shift and performance enhancement in triboelectric nanogenerators”。該論文被選為第Vol 117期（2023年12月）的封底文章。北航林京教授、中國(guó)工程物理研究院研究生院關(guān)雪飛教授、婁偉濤博士后為論文合作作者，北航博士生方澤豪為第一作者，何晶靖副教授為該文章的通訊作者，北航為研究論文的第一/通訊單位。

摩擦電納米發(fā)電機(jī)（TENG）作為一種新興技術(shù)，在能量收集方面具有廣闊的應(yīng)用前景。此項(xiàng)研究提出了一種基于殼聚糖的結(jié)晶度調(diào)控和介電性能增強(qiáng)的策略。封面的主體，以螃蟹的形式突出所使用的生物材料殼聚糖。螃蟹體內(nèi)表達(dá)了本文摩擦電改性的兩種機(jī)理：材料內(nèi)殼聚糖聚合物鏈形成了結(jié)晶結(jié)構(gòu)（藍(lán)色小方塊），通過調(diào)控結(jié)晶程度，可實(shí)現(xiàn)摩擦電極性的轉(zhuǎn)變。另一方面，聚合物鏈纏繞的碳納米管，在界面處會(huì)產(chǎn)生深陷態(tài)，從而誘導(dǎo)更多摩擦電荷，提升摩擦電性能。

研究通過分析殼聚糖分子鏈的靜電勢(shì)圖，與表面電勢(shì)表征技術(shù)相結(jié)合，解釋了由殼聚糖結(jié)晶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的獨(dú)特的摩擦電極性轉(zhuǎn)移機(jī)理。此調(diào)控策略拓展了殼聚糖基TENG的配對(duì)材料選擇和應(yīng)用場(chǎng)景，并且為其他生物材料的摩擦電改性研究提供了可能的方案。

同時(shí)，通過摻雜納米材料單壁碳納米管（SWCNT），實(shí)現(xiàn)不同結(jié)晶度的殼聚糖薄膜的介電性能增強(qiáng)，進(jìn)而提升摩擦電性能。優(yōu)化后的TENG最大轉(zhuǎn)移電荷密度為262 μC/m2，并且在20%~85%的濕度范圍內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)異的輸出穩(wěn)定性。本研究為調(diào)控殼聚糖的摩擦電極性，提高其性能和穩(wěn)定性提供了新的思路，促進(jìn)了天然生物材料在TENG領(lǐng)域的發(fā)展。

本項(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目及寧波市國(guó)際科技合作項(xiàng)目資助。

審核編輯：劉清