ACS Nano：提高相对介电常数和抑制摩擦电层的介电损耗用于高性能可穿戴发电

Nanoyu

2022-12-17

高相对介电常数和低介电损耗是摩擦电层的两个期望参数，以提高摩擦纳米发电机(TENG)中的机械能-电能转换效率。然而，摩擦电层的介电常数的提高总是伴随着介电损耗的增加，限制了进一步的改善或者甚至降低了电输出。

近日，香港城巿大学Michael K. H. Leung，加州大学洛杉矶分校Jun Chen提出了一种通过在颗粒-聚合物界面引入第三相来提高相对介电常数和抑制摩擦电层介电损耗的方法。

文章要点

1）通过在聚二甲基硅氧烷（PDMS）海绵（PS）基质（以下简称为Ag@C@PS）内的银纳米颗粒(Ag NP)上引入一层无定形碳(C)壳，与裸露的Ag NP嵌入的PS（以下简称为Ag@PS）相比，纳米复合材料系统的介电损耗降低了50%。这种显著的降低源于无定形C壳的低表面自由能、中等介电常数和低电导率，导致均匀的空间电场和复合材料内填料之间的衰减电子路径。

2）结果显示，通过摩擦电层增强的TENG（TLE-TENG）,相对介电常数增加了2.6倍，输出电流增加了302%。针对完全灵活的配置，研究人员制备了银纳米线（Ag NW）涂覆的PDMS膜（Ag NWs@PDMS）,其表现出优异的薄层电阻（约0.14 Ω/sq）。然后，通过将两种纳米银基复合材料配对，即2 wt%的Ag@C@PS和Ag NWs@PDMS，构造出可穿戴的TLE-TENG。

3）研究人员展示了自供电传感的广泛应用，包括角度传感、自由落体重量检测、机械刺激识别和用户步态识别。作为一种可持续能源，TLE-TENG的瞬时峰值功率密度为1.22 W m^-2。作为一种自供电传感器，它表现出90%的出色压力灵敏度。

这项工作提供了一个有效的途径来操纵介电常数和介电损耗的摩擦电层的透彻理解的改善机制。这种增强的摩擦电层将极大地促进高性能耐磨TENGs的发展。

参考文献

Zehua Peng, et al, Improving Relative Permittivity and Suppressing Dielectric Loss of Triboelectric Layers for High-Performance Wearable Electricity Generation, ACS Nano, 2022

DOI: 10.1021/acsnano.2c05820

https://doi.org/10.1021/acsnano.2c05820