基于PDMS的双填料摩擦纳米发电机性能提升研究

一、研究团队与发表信息
本研究由韩国多个研究机构合作完成，通讯作者包括Chan-Yeup Chung（韩国陶瓷工程与技术研究院）、Sungwook Mhin（京畿大学）和Kang Min Kim（韩国生产技术研究院）。第一作者Kangpyo Lee（韩国生产技术研究院/汉阳大学）、Jeong Ho Ryu（韩国交通大学）和Hyuksu Han（成均馆大学）对研究贡献均等。研究成果发表于《Journal of Alloys and Compounds》2025年第1010卷，文章编号177114。

二、学术背景与研究目标
摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerators, TENGs）是一种通过摩擦起电效应将机械能转化为电能的技术，在低频机械能收集（如人体运动、环境振动）中具有显著优势。聚二甲基硅氧烷（PDMS）因其柔韧性、化学稳定性和低成本成为TENGs的理想材料，但其低介电常数限制了性能提升。

本研究旨在通过双填料策略（表面改性碳纳米管SMCNTs和高介电钛酸钡BTO纳米颗粒）协同增强PDMS基TENGs的输出性能。科学问题包括：
1. 如何改善填料分散性以优化电荷转移路径？
2. 如何平衡填料浓度以避免摩擦面积损失？
3. 等离子体处理对表面粗糙度与亲水性的影响机制？

三、研究方法与流程
1. 填料制备与改性
- SMCNTs合成：采用脉冲激光烧蚀（Pulsed Laser Ablation, PLA）技术处理多壁碳纳米管（MWCNTs），在乙醇中通过激光（10 Hz, 0.75 J/脉冲）诱导表面坍塌并引入羟基/羧基官能团，提升与PDMS的相容性（图1b）。
- BTO纳米颗粒：直接采购商业纳米颗粒（平均粒径100 nm），通过XRD验证其立方钙钛矿结构（图S4）。

1. TENG器件制备

   • 复合薄膜制备：将SMCNTs（0.05 wt%）与BTO（1-10 wt%）混合于PDMS，机械搅拌后160℃固化1小时，切割为2 cm×2 cm薄膜（图1a）。
     
   • 电极组装：薄膜两侧粘贴铝箔电极，通过弹簧结构维持2 mm间距，采用接触-分离工作模式（图S6）。
     
   • 等离子体处理：CF4/O2混合气体（100 W, 10 mTorr）处理7分钟，表面粗糙度从4.7 nm增至7.8 nm（图S8）。
     

2. 性能测试与表征

   • 电学输出：Keithley 6514放大器测量电压/电流，2 Hz频率下施加50 N力。最优器件（0.05 wt% SMCNTs + 7 wt% BTO）输出达432.44 V和39.23 μA，经等离子体处理后提升至468 V和43.04 μA（图2a, 4a）。
     
   • 介电性能：阻抗分析仪（Hioki IM 3570）测试显示SMCNTs/BTO复合膜的介电常数和转移电荷量显著高于纯PDMS（图3a）。
     
   • 仿真分析：COMSOL Multiphysics 6.0模拟电场分布，验证双填料协同增强电场强度（图3d）。
     

四、主要研究结果
1. 填料协同效应
- SMCNTs的氧官能团改善分散性，减少团聚（图2c），其导电性优化电荷传输路径；BTO的高介电常数（εr≈1000）增强表面电荷密度。
- 7 wt% BTO时转移电荷量最大，过量BTO（>10 wt%）导致摩擦面积下降（图3a-ii）。

1. 等离子体处理的双重作用

   • 表面粗糙化增加有效接触面积，CF4气体引入氟化效应提升电子亲和性。亲水性（接触角63.1°）随时间恢复至96.5°，但不影响电学性能（图4c）。
     

2. 稳定性与实用性

   • 2000次循环后电压输出保持稳定（图4d），峰值功率密度达7.83 W/m²（负载10 MΩ），可驱动多颗LED（Video S1）。
     

五、研究结论与价值
1. 科学价值
- 提出PLA改性碳管与BTO的协同增效机制，为高介电复合材料设计提供新思路。
- 通过COMSOL仿真建立电场强度-填料浓度定量关系（公式7-8），验证介电常数与电容的正相关性。

1. 应用价值
   
   • 高性能TENGs可应用于自供电传感器、可穿戴设备等领域，其环保工艺（无燃料燃烧）契合碳中和目标。
     

六、研究亮点
1. 方法创新：PLA技术一步实现碳管表面改性与分散性优化，避免传统化学修饰的复杂性。
2. 性能突破：双填料TENGs电压/电流较纯PDMS提升216%和355%，优于同类报道（表S2）。
3. 跨学科验证：实验与仿真结合，阐明电场增强的物理机制（图S7）。

七、其他发现
- 等离子体处理的耐久性证明表面化学修饰非性能决定因素，为后续工艺简化提供依据。
- 研究获韩国国家研究基金会（NRF-2022R1A2C2008406）等资助，涉及多项专利技术（如PLA参数优化）。