隨著移動電子產品的飛速發展，人們對便捷、可持續的供電需求日益增長。通過壓電、摩擦電、熱電、光電等效應，選擇設計具有微納米結構的材料和器件，收集和存儲環境中未被充分利用的機械、物理等能量為電子設備供電，這種綠色、可持續的納米發電機成為近年來的前沿熱點研究方向之一。基于摩擦起電效應和靜電感應效應的摩擦納米發電機（TENG），具有電能輸出和能量轉換效率高、成本低、制備簡易等特點，被認為是具有廣闊前景的能源捕獲裝置。

    摩擦納米發電機由兩種極性不同的材料組裝而成，其正極材料通常為金屬（如銀、銅、鋁）或金屬氧化物（如氧化鋅、氧化銦錫）。然而，金屬在環境中易被氧化、腐蝕，且金屬氧化物柔韌性欠佳，從而影響到TENG的穩定性及應用領域。因此，具有優良穩定性和可塑性的高分子正極材料開始受到關注，如聚酰胺、纖維素和聚吡咯等。然而，相比金屬正極材料，高分子作為正極材料的TENG的電信號輸出要低得多。因此，亟需提高全高分子基的TENG的電信號輸出。

    圖1、（a）基于高分子氣凝膠的摩擦納米發電機（A-NG）的示意圖；（b）不同孔隙率的PI氣凝膠對P-CTS/P-PI A-NGs電壓輸出的影最近，美國威斯康星大學麥迪遜分校的Shaoqin Sarah Gong教授（通訊作者），Qifeng Zheng博士和華南理工大學Liming Fang訪問教授（共同第一作者）報道了一種基于高分子氣凝膠的柔性摩擦納米發電機（A-NG）。其正極材料為纖維素（CNF）或殼聚糖（CTS）氣凝膠膜，負極材料為多孔聚二甲基硅氧烷（PDMS）或聚酰亞胺（PI）氣凝膠。相比對應的實心結構電極，氣凝膠電極顯著提高了摩擦納米發電機的輸出功率達11倍。該論文比較了高分子氣凝膠電極的材料類型、孔隙率及比表面積等因素對TENG電性能的影響，發現隨著正負電極材料極性差異和孔隙率的提高，A-NG的輸出電壓急劇增加（圖1b）。其中孔隙率為86%的殼聚糖與孔隙率為92%的PI組裝的A-NG，在受到~0.03 MPa壓力的作用下，可輸出60.6V的電壓和7.7μA的電流，其面積功率密度達到2.33W/m2，足以驅動LED等器件或為電容器充電。

    圖2、基于多孔高分子氣凝膠的A-NG的摩擦發電機理示意圖該工作首次將高分子多孔材料同時用作摩擦納米發電機的正負極，并分析了材料孔隙對TENG電信號輸出的影響機理（圖2）。在正負電極接觸分離過程中，除了接觸表面產生的正負靜電荷，同時孔表面因為靜電感應效應亦會產生額外電荷，高比表面累計的額外電荷導致正負電極產生更大的感應電勢差，從而顯著提高電信號輸出。另外，該工作通過化學氣相沉積法，對纖維素氣凝膠孔隙表面進行氨基硅烷化改性，提高其正電極性，使得TENG的電信號輸出相比改性前提高了3倍該研究利用環保的天然高分子取代昂貴、易腐蝕的金屬作為正極材料，通過改變氣凝膠孔隙率和表面化學改性等簡單方法，調控摩擦納米發電機的電輸出性能，對研發新型電極材料、發展高性能柔性能源捕獲器件有參考價值。

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責任編輯：殷鵬飛

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