1、研究背景：

由于其可再生和環保屬性，海洋能源被視為一種亟待發展的新能源。近年來，利用摩擦納米發電機（TENGs）收集海洋能量、將其轉化為供給小型設備的電能并實現原位海洋環境治理已成為一項研究熱點。然而，海洋高濕、高鹽環境和生物污垢顯著降低了摩擦電材料的穩定性和服役壽命；此外，摩擦電層的摩擦起電性能和介電性能也需要進一步提升以滿足實際應用要求。以上因素極大限制了TENGs在藍色能源收集方面的潛力，因此急需開發新型高性能摩擦電材料以實現惡劣海洋環境下的高效能源收集與應用。

2、文章概述：

基于此，中國海洋大學陳守剛教授研究團隊基于介電摻雜和等離子體處理設計了一種多尺度修飾的PVDF基摩擦電材料，在惡劣的海洋環境中實現了高效能量收集和自供電殺菌應用。通過靜電紡絲將Ag@C負載到PVDF納米線中，無定形的C殼降低了Ag表面自由能并阻礙了Ag NPs之間電子轉移路徑的形成，這大幅提高了介電常數并抑制了介電損耗。此外，兩步O2+CF4等離子體處理大大提高了摩擦電極的表面粗糙度和有效接觸面積，并引入了大量的含F基團，顯著提高了PVDF/Ag@C的電子親和力和表面疏水性。因此，表面電荷密度從64.26 μC/m2顯著增加至 216.60 μC/m2，表明其在能量收集領域的巨大潛力。基于實驗與DFT計算分析了等離子體處理的可能機理。超疏水表面設計使PVDF/Ag@C表現出優異的防潮、耐鹽和防污性能。此外，基于TENG的殺菌系統實現了98.74%（2000 mL/min）的殺菌率，顯著高于普通交流電源（89.96%）。

這項工作為摩擦電材料的表面改性工程以及TENGs在惡劣環境中的能量收集和應用提供了新的方法。相關成果以“Multi-scale modified PVDF/Ag@C layer based on dielectric doping and plasma treatment for high-performance triboelectric nanogenerators and self-powered water sterilization”為題發表在《Nano Energy》上，中國海洋大學博士研究生孫霄為論文第一作者，中國海洋大學陳守剛教授為論文通訊作者。

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285524002593

3、圖文導讀：

COMSOL有限元仿真和顆粒（Ag@C）-聚合物（PVDF）界面的DFT計算表明，非晶C殼層促進了納米填料的均勻分布，抑制了Ag NPs之間電子傳輸路徑的形成，這顯著提高了材料的介電常數并抑制了介電損耗。

圖1. PVDF/Ag@C薄膜的成分表征、內部電場仿真及DFT功函數計算

當等離子體輻照時長為4 min，輻照功率為75 W時，TENG的能量收集效率達到最大，開路電壓、短路電流和表面電荷密度分別達到1034 V、41.22 μA、216.60 μC/m2。

圖2. 不同等離子體處理時間和功率下TENG的摩擦電性能

等離子體處理使納米線粗糙度增加，表面生成了類似于“草叢”的突起結構，大大增加了摩擦層之間的有效接觸面積。

圖3. 等離子體處理后PVDF/Ag@C的表面形貌與表面粗糙度變化

利用DFT計算深入分析了等離子體處理的反應機理，預測了化學表面改性過程的產物。O2等離子體處理引入的含氧官能團很可能作為第二步含氟基團接枝的“橋梁”。

圖4. 利用DFT計算預測了O2+CF4等離子體處理的可能機理

自供電水殺菌系統的有效細菌滅活是高壓電穿孔和ROS生成的協同效應。與傳統的交流電源相比，TENG的高脈沖電壓增強了電穿孔效應，增加的 ROS的生成量，有助于提高殺菌率。

圖5. 基于TENG的自供電水殺菌系統殺菌性能測試

4、結論：

綜上所述，本文通過介電摻雜和等離子體處理，開發了一種多尺度改性的PVDF/Ag@C摩擦電材料，在苛刻海洋環境中實現了高效的能量收集和自供電抗菌應用。Ag@C顯著提高了PVDF的介電常數并抑制了介電損耗。兩步等離子體處理成功對材料的表面形貌和表面化學組分改性，使TENG的表面電荷密度從64.26 μC/m2顯著增加至 216.60 μC/m2。應用DFT計算深入分析了反應機理，預測了化學表面改性過程中的產物。O2等離子體處理引入的含氧官能團可能成為第二步接枝的“橋梁”，這有助于建立更令人信服的反應機制。超疏水的PVDF/Ag@C表面展現出優異的防潮、耐鹽和抗生物粘附性能，非常適合在惡劣的海洋環境中收集能量。此外，基于TENG的水殺菌系統實現了98.74%（2000 mL/min）的殺菌率，顯著高于普通交流電場（89.96%）。這項工作為摩擦電材料的多尺度改性設計提供了新思路，在海洋苛刻環境中的能量收集和應用方面展示出了良好的應用前景。

研究團隊介紹:

團隊名稱：中國海洋大學海洋裝備材料及防護技術團隊

團隊負責人：陳守剛教授（sgchen@ouc.edu.cn)

中國海洋大學材料科學與工程學院陳守剛教授

團隊簡介：課題組主要從事海工裝備材料及其防護技術研發，圍繞海洋耐蝕材料與涂層防護、生物污損與抗菌材料、智能自修復防護涂層、材料多尺度仿真模擬、極端環境微生物腐蝕評價、環境凈化電催化納米材料等方面開展基礎和應用基礎研究。近五年課題組先后主持國家自然科學基金重點/面上/青年項目、省部級課題等20余項，在Angewandte Chemie International Edition, Nano Energy, Applied Catalysis B: Environmental, Corrosion Science, Nano Today, Chemical Engineering Journal等雜志發表SCI論文200余篇。