摩擦纳米发电机性能提升的新策略：基于改性压电材料与介电泳技术的表面电荷增强研究

作者与发表信息

本研究由Weichao Wang（第一作者兼通讯作者，许昌学院）、Ge Yan、Zhengyin Zhao（许昌学院）、Yahong Zhang（许昌学院化学与材料工程学院）、Zhulei Shao（许昌学院电气工程学院）、Fangqi Chen（河南大学物理与电子学院）、Hui Li（通讯作者，开封大学）共同完成，发表于Materials Today Communications期刊（2025年8月，卷48，文章编号113633）。

学术背景

研究领域与动机
摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator, TENG）是环境能量收集（如风能、波浪能、人体运动能）的重要技术，但其性能受限于摩擦层表面电荷密度不足。传统方法（如等离子体处理、激光诱导石墨烯图案化）需依赖外部电路或辅助激发，而本研究的核心目标是通过压电-摩擦电耦合效应提升材料本征电荷密度。

科学问题与创新点
- 关键挑战：无机填料（如BaTiO₃）在有机基质（如PDMS）中分布不均，导致应力传递效率低，电荷散射严重。
- 解决方案：采用介电泳（Dielectrophoretic, DEP）策略对改性压电材料（(Ba₀.₈₃₈Ca₀.₁₆₂)(Ti₀.₉₀₇₂Zr₀.₀₉₂)O₃，简称BCZTO）进行有序排列，增强应力传递与电荷迁移能力。

研究流程与方法

1. BCZTO粉末合成与表征

• 制备方法：通过固相反应法合成BCZTO粉末，原料为CaCO₃、BaCO₃、ZrO₂和TiO₂，经球磨、干燥后于1400℃烧结4小时。
  
• 表征技术：
  
  • X射线衍射（XRD）：确认BCZTO为铁电四方相结构（图2a）。
    
  • 扫描电镜（SEM）：显示颗粒尺寸分布为4.7–7.3 μm（图2b）。
    

2. 复合薄膜制备与介电泳调控

• 无序复合膜：将BCZTO粉末（10 wt%）与PDMS混合，旋涂于FTO玻璃基底，固化后剥离。
  
• 有序复合膜：
  
  • DEP工艺（图1）：
    
  1. 在PDMS模具中制备凹陷腔体，注入BCZTO/PDMS混合溶液。
     
  2. 施加10 kV/mm交流电场（方波，90 Hz），同时加热固化（80–100℃），实现BCZTO颗粒有序排列（图2d）。
     
  • 结构验证：光学显微镜显示有序排列的BCZTO颗粒（对比图2c无序分布）。
    

3. 材料性能测试

• 介电与压电性能：
  
  • 介电常数（εᵣ）：有序复合膜在宽频范围内显著高于无序膜和纯PDMS（图2e）。
    
  • 压电系数（d₃₃）：有序膜达79 pC/N，是无序膜（31 pC/N）的2.5倍（图2f）。
    
• 表面电荷电位：
  
  • 开尔文探针力显微镜（KPFM）：有序膜表面电位达648 mV，远高于无序膜（445 mV）和纯PDMS（48 mV）（图3c）。
    
  • 接触电压：有序膜为-520 V，是无序膜（-260 V）的2倍（图3d）。
    

4. TENG器件构建与输出测试

• 器件结构（图3a）：以BCZTO/PDMS为摩擦层，铜电极和Kapton薄膜为对电极。
  
• 电输出性能：
  
  • 开路电压（Vₒₒ）：有序膜从无序膜的145 V提升至220 V（图4a vs 4d）。
    
  • 电荷密度（Qₛₒ）：从150 μC/m²增至225 μC/m²（图4b vs 4e）。
    
  • 峰值功率密度：达2.1 W/m²，较无序膜（1.2 W/m²）提升75%（图4c vs 4f）。
    

主要结果与逻辑关联

1. DEP有序化提升压电性能：颗粒排列优化应力传递路径，d₃₃提高直接增强压电极化电荷生成。
   
2. 表面电位增强机制：有序BCZTO的强极化偶极子减少晶界电荷散射，KPFM数据证实电位梯度扩大（图3c）。
   
3. TENG输出性能跃升：高表面电位（-520 V）与压电效应协同作用，推动电荷分离效率（图5d）。
   

结论与价值

科学意义：
- 首次将DEP策略应用于TENG摩擦层设计，揭示了压电材料有序化对表面电荷密度的调控机制。
- 提出“压电-介电-摩擦电”三元耦合模型，为高性能能量收集材料提供新范式。

应用前景：
- 自供电电子设备：实验演示中，有序BCZTO TENG可点亮58个LED（图6c-ii）或驱动LCD温湿度计（图6d-i）。
- 柔性传感器：贴附于手关节时输出稳定电信号（图6d-ii），适用于可穿戴设备。

研究亮点

1. 方法创新：DEP工艺实现BCZTO在PDMS中的定向排列，突破传统复合膜无序分布的瓶颈。
   
2. 性能突破：225 μC/m²的电荷密度为当前无铅压电TENG的最高报道值之一（对比表1中其他BaTiO₃基材料）。
   
3. 跨学科价值：融合材料科学（压电改性）、物理学（介电泳调控）与能源工程（TENG设计）。
   

其他价值

• 数据可重复性：所有实验均标注详细参数（如DEP电场强度10 kV/mm、固化温度80–100℃），便于复现。
  
• 扩展潜力：该方法可推广至其他压电材料（如ZnO、PZT）与聚合物基体的复合体系。
  

（全文约2000字）