技术物理系付恩刚课题组在Energy & Environmental Science上发文报道离子辐照改性摩擦纳米发电机材料的重要进展

研究团队Energy & Environmental Science发文,首次将载能离子束与摩擦纳米材料相结合,提出了通过低能高密度氦离子的辐照来调控聚合物的摩擦电表面电荷密度的策略和方法,并成功获得超强正电性起电材料。

随着物联网的快速发展,亟需大量的传感器和微电子设备来支持这一庞大的信息网络,同时,对于移动设备供电系统中的电池与能量收集技术的需求也与日俱增。摩擦纳米发电机(Triboelectric nanogenerator, TENG)自2012年问世以来,凭借其通用性,低成本和高效率,逐渐成为能量收集领域的主流技术。TENG的核心要素是摩擦纳米材料,但是,现有的摩擦纳米材料的界面传输电荷能力不足,极大地限制了其应用,因此,当前研究的重点是如何通过材料表面改性,提高其界面传输电荷能力。通常,材料表面改性工作大多集中在界面刻蚀与压印等方向上,通过界面的微纳米阵列结构来增加有效接触面积,进而增加接触起电产生的电荷密度。然而,界面微纳米结构在持续摩擦过程中的稳定性一直备受挑战,研究者们一直在寻找新的更有效的界面调控方法去提高其起电性能。

技术物理系付恩刚教授课题组与北京纳米能源所陈翔宇研究员和王中林研究员课题组,首次将载能离子束与摩擦纳米材料相结合,并成功地获得了超强正电性起电材料。在这项研究中,利用离子辐照技术,通过核能损和电子能损等能量传输来改变材料的分子结构。离子注入产生的弹性和非弹性碰撞会导致聚合物中大分子的能量达到化学键能垒,使相应化学键断裂,化学键断裂产生的大量自由基与断键再结合,重新排列形成新的化学键和新的官能团,从而大幅度提高材料的起电性能。

他们对离子辐照引起的不同聚合物的化学结构的变化进行了系统地研究,深入了解并揭示了不同化学基团与电学性能之间的相互作用规律和机理。首次发现供电子基团与吸电子基团这两种官能团对于摩擦起电过程的传输电荷密度有着重要的影响。首次发现:未辐照的聚酰亚胺通常是得电子型的摩擦起电材料,离子辐照后的聚酰亚胺(Kapton)薄膜可以在其表面生成一种具有共轭效应的强失电子官能团,从而成为失电子型的摩擦起电材料,即其起电性能有了反转性的改变。同时,离子辐照不仅使其产生了非常奇特的电性转变的变化,而且,当它与常用的正电性材料,例如尼龙、碳薄片、食品级耐油丁腈橡胶等配对时,由于具有超强的给电子能力,仍旧表现出超强的正电性。此外,除了超强正电性之外,辐照改性后的这种材料在TENG器件中也表现出一些前所未有的优异特性,例如高的表面电荷密度(332μC/ m-2)和出色的稳定性。

图1. 离子束辐照改性高分子材料机理与电学性能:(a) 离子束辐照材料示意图;(b) 辐照引起Kapton材料化学结构发生旧键断裂与新键形成,并产生电子给体基团-酰胺基的示意图;(c) 辐照前后材料的表面结构的透射电子显微镜(TEM)和能谱(EDS)图;(d) 对比表明,材料经适当离子辐照剂量后有效电荷传输密度显著提高。
图2: 剂量为1×1016 ions/cm2的He离子辐照后的Kapton样品的电学特性:(a) 作为正极材料与常规的正极材料组合后的的电压Voc;(b) 峰值功率对电阻的依赖性;(c) 器件在不同电容时的充电电压曲线;(d) 与FEP材料组合后可以点亮十个LED灯;(e) 在60天内保持良好的稳定性。

本项研究工作,突破了表面结构改性的传统思路,另辟蹊径,通过在分子尺度上对起电材料的特殊官能团进行特定设计,进而显著提高宏观的起电性能,并揭示了其起电机理,为新型起电材料的设计和发展,提供了全新的策略和方法,带来了突破性进展。此外,本次研究得到的超正起电材料由于其具有良好的柔性以及绝缘性,决定了它在TENG器件以及微纳发电机中具有广泛的应用前景。另一方面,本研究通过离子辐照诱导聚合物的自由基和化学键来提升接触带电的表面状态,改变分子的电子结合能从而改变其电学性能。这种官能团调控机理也为传统的离子辐照技术开辟了新的应用方向和领域。可以预期,未来会出现众多离子辐照调控的具有不同优异性能的高分子材料,服务于新能源以及其他有特种性能需求的领域中。

这项工作近期以“Manipulating the triboelectric surface charge density of polymers by low-energy helium ion irradiation/implantation”为题在线发表于国际能源领域顶级期刊Energy & Environmental Science。博士生李书瑶和樊勇为该工作的共同第一作者,技术物理系付恩刚教授、北京纳米能源所陈翔宇研究员和王中林院士为论文的共同通讯作者。此工作得到了国家自然科学基金项目,国家基础研究计划,国家磁约束核聚变能研究专项,北京大学核物理与核技术国家重点实验室、北京大学核技术应用实验室的资助和支持。

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