目前，太陽能、風能、水力發電等已經是被人們廣泛認知和開發利用的清潔能源。但是，風能、水力發電對地域和環境條件的要求比較苛刻；而太陽能的開發和利用率則受天氣和季節的影響比較大。摩擦生電，作為一種幾乎人人皆知的現象，普遍存在于人們的各個生活領域。而基于納米能源與壓電電子學理論而研發出來的摩擦納米發電機（triboelectric nanogenerators，TENG），讓摩擦發電這一普遍存在性能源技術的有效利用成為可能。TENG的能源來源非常廣泛，包括人體運動、海水的潮汐運動、微弱風能、水能以及微小的震動等都可以產生微納能量。而研究進一步發現，帶有微納結構形貌的材料表面其摩擦生電效率可以提高幾個數量級。這為高效TENG的設計、開發提供了方向。
近日，韓國科學技術院（KAIST）的Jin-Baek Kim和韓國中央大學（Chung-Ang University）的Sangmin Lee等科學家，從TENG材料選擇和表面微納形貌構筑兩方面入手構筑了高效的摩擦納米發電機。研究團隊選用了含氟甲基丙烯酸酯聚合物（poly(1H,1H,2H,2H-perfluorodecyl methacrylate)，PFDMA）為摩擦材料，采用轉移印刷（transfer printing）技術構筑PFDMA表面規整超疏水微納形貌，同時保持了圖案化PFDMA構件較高的透明性和可轉移性。
研究團隊對PFDMA-TENG的摩擦發電輸出性能進行了系統測試。結果表明，PFDMA-TENG器件其開路電壓（VOC）、閉路電流（ICC）隨著PFDMA表面微米棒陣列的高度增加呈現增大趨勢，最優輸出電壓和輸出電流分別為68 V和6.68 μA。輸出功率依賴于外加負載電阻，當負載電阻為500 MΩ，輸出功率達到150 μW。該結果表明PFDMA能夠實現表面電荷密度和表面形貌的簡便調節，是構筑具有高效摩擦生電輸出效率TENG器件的優異材料。
此外，基于含氟聚合物的低表面能特性，PFDMA展現出優異的疏水性能。其平面結構PFDMA水接觸角為117.7°，而隨著表面微納結構陣列的引入及陣列高度的增加其疏水性逐步增加。當微米棒陣列高度達到20 μm時，PFDMA表面達到超疏水狀態（水接觸角155.0°）。
TENG表面的潤濕性能對于液-固接觸應用模式下器件的電學性能有著重要影響。因此，研究團隊進一步對PFDMA-TENG液-固接觸模式下的應用性能進行了考察。水流速度1.25 ml/s條件下，表面無微納結構PFDMA-TENG幾乎無輸出電壓，且電壓較低；微陣列高度為5 μm、10 μm的PFDMA-TENGs輸出電壓由于其表面疏水性不充分，導致輸出電壓較高，但不規律；而微陣列高度為20 μm時，其表面的超疏水特性保證了其高輸出電壓（4V）的穩定性。
——總結——
該研究通過應用新型含氟材料并結合材料表面微納形貌的簡便可控構筑，制備了具有高效輸出效率的摩擦納米發電機PFDMA-TENG。同時，基于PFDMA-TENG的高透明性，以及隨著PFDMA表面粗糙度的增加其疏水性和PFDMA-TENG輸出電壓同步提升的特點，該器件有望進一步結合太陽能電池、人造樹葉等構筑復合能量收集系統。隨著納米能源領域研究的不斷深入，我們期待摩擦納米發電機（TENG）的發展能夠提供更多持續的清潔能源。
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