文章重要内容

        陕西科技大学刘汉斌副教授团队为解决可降解材料构筑TENG器件的选材问题，在同等测试条件下，探究了不同可降解高分子的摩擦电输出规律，从转移电荷量的对比研究得出可降解高分子的输出性能序列表，讨论了高分子链化学基团对摩擦电极性的影响规律和作用机理。本研究对可降解TENG的发展与器件应用具有重要的意义。

文章背景

        随着科技的快速发展，能源问题日益紧张，摩擦纳米发电机(TENG)能将环境中的低频的机械能转化为电能，因而受到研究者的广泛关注。TENG一般由摩擦层和电极组成，TENG中常用的摩擦层材料是合成高分子、金属等，但这些材料在环境中都难以降解。因此，基于可降解材料发展的TENG器件亟待发展并受到广泛关注，因为这些器件可避免电子垃圾的产生与聚集。对于摩擦层材料，已报道的可降解材料中合成高分子包括聚己内酯(PCL)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚(3-羟基丁酸酯-co-3-羟基戊酸酯)(PHBV)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)、聚乳酸(PLA)、聚乙烯醇(PVA)、透明质酸(HA)和聚羟基丁酸酯(PHB)等，天然高分子包括淀粉(starch)、纤维素、木质素、蛋白质、壳聚糖(CS)以及其他生物质来源材料。这些材料及其构筑的TENG器件在废弃后可以分解为低分子量化合物、水和二氧化碳，不产生电子垃圾或有害物质。然而，不同可降解材料的摩擦电特性差异较大，且受到厚度、尺寸的影响显著，为可降解TENG器件的选材和构筑带来困难，因此有必要在相同条件下研究和对比可降解高分子的摩擦电特性，获得其极性排序。

文章概述

        近日，陕西科技大学刘汉斌副教授团队基于不同的可降解高分子材料作为摩擦层(图1)，铜片为电极组装了系列摩擦纳米发电机(TENG)器件，在相同摩擦层厚度及器件尺寸条件下，系统地研究了器件的输出性能(图2a-2d)，获得了可降解高分子材料的摩擦电极性排序(图2e)，发现以海藻酸钠(SA)与聚丁二酸丁二醇酯(PBS)作为摩擦层的TENG表现出最佳输出性能，其最大输出电压达到46 V，电流0.7 μA，转移电荷量4.68 nC。

图1 可降解高分子

图2 (a) 不同可降解高分子互为摩擦层的转移电荷量；PBS为负摩擦层与PDMS及其其他可降解高分子的；(b) 开路电压；(c) 短路电流；(d) 转移电荷量；(e) 可降解高分子的摩擦电极性序列

 根据摩擦电测试结果结合化合物所含官能分析，发现含有大量给电子基团―OH以及―NH₂的聚合物具有较好正极性，若同时含有得电子基团如―COO―，则会减弱其正极性；含有大量―COO―基团聚合物具有较好的负极性，若同时含有给电子基团―OH以及―NH₂则会减弱其电负性，其他不含―COO―的聚合物由于―OH以及―NH₂的给电子能力并不能完全地减弱―COO―的吸电子能力，导致其摩擦电性能显偏负极性。

为进一步研究电极材料的影响，以SA与PBS作为摩擦层，石墨烯纸(GC-paper)作为电极构建了TENG器件(图3a)，其输出电压达到88 V，电流1.25 μA，转移电荷量14.6 nC(图3b)。相比铜电极器件输出有所提高(图3c)，并且具有一定的稳定性(图3d)。本研究对环境友好型TENG器件的发展具有一定的参考价值。

图3 (a) GC-Paper电极TENG器件结构；(b) GC-Paper电极TENG器件开路电压、短路电流、转移电荷量；(c) GC-Paper电极与Cu电极TENG输出对比；(d) GC-Paper电极TENG的10000次循环

 该研究得出了可降解高分子的摩擦电输出性能序列表，讨论了高分子链化学基团对摩擦电极性的影响规律和作用机理，对可降解TENG的发展与器件应用具有重要指导意义。

 上述工作即将以研究论文形式在《高分子学报》2025年第3期印刷出版。论文第一作者为陕西科技大学硕士生袁桂梓和舒勤思(共同第一作者)，通信联系人为刘汉斌副教授。

引用本文：