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【Energy & Environmental Science】通过低能氦离子的辐照来操纵聚合物的摩擦电表面电荷密度
发表日期: 2020-02-06 文章来源:
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  2012年以来,摩擦电纳米发电机(TENG)由于其普遍适用性强,成本低,效率高逐渐成为机械能量收集和分布式微能源领域的主流技术。TENG的发展可以服务于物联网的信息采集技术、智能监控系统以及静电驱动、静电除尘等高电压应用领域。TENGs中的摩擦起电材料是决定其性能的核心要素,而探寻一种高效且长期稳定的改性材料的方法是目前必须要克服的困难。 

  TENG的研究初期,材料改性的工作大多集中在界面刻蚀与压印等方向上,通过界面的微纳米阵列结构来增加有效接触面积,进而增加接触起电产生的电荷密度。然而,界面微纳米结构在持续摩擦过程中的稳定性一直备受挑战。此外,也有研究者通过化学方法,在聚合物材料表面嫁接一些特殊分子来调控起电的性能。但是,化学涂覆方法的普适性受限于复杂的化学合成工艺,并且其长久的附着稳定也存在问题。目前,大家常用的方法是电晕极化的电荷注入方法,可以有效改性驻极型材料的起电性能,但是注入在表面的电荷易受到环境因素的影响,需要高标准的封装技术配合。因此,研究者们从未停止寻找新的更有效的界面调控方法去改性聚合物起电材料。 

  针对这一问题,北京纳米能源所的陈翔宇研究员与北京大学物理学院的付恩刚教授合作,提出了一种通过低能高密度氦离子的辐照来操纵聚合物的摩擦电表面电荷密度的实验方法。近期,他们在Energy & Environmental Science 上发表了题为 “Manipulating the triboelectric surface charge density of polymers  by low-energy Helium ion irradiation/implantation”的论文,文章链接为:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ee/c9ee03307f/unauth#!divAbstract 

  在这项研究中,利用离子辐照的方法,基于其有可控照射面积、可调节照射剂量和可均匀辐照等特性,通过核能损失和电子能损失来改变材料的分子结构。高速的辐射离子可以剪切聚合物材料的化学键,旧化学键断裂而产生的大量自由基与运动离子结合,重新排列的形成了新的化学键和新的官能团,从而改变材料的起电性能。通过大量实验的筛选,找到合适的辐照计量和能量大小,可以从分子水平上直接控制和改变针对摩擦起电的聚合物官能团,进而永久的改变材料的起电特性。选择低能量的离子辐射,对目标聚合物的表面粗糙度和机械柔韧性的影响可忽略不计,同时可以永久的改变材料的起电性能,是一种全新的方法。研究团队对离子辐照引起的四种不同聚合物的化学结构变化进行了系统的分析,包括衰减全反射傅立叶变换红外光谱(ATR-FTIR)的测量,分子动力学模拟等,这有助于我们更好地理解在分子水平上的摩擦起电过程。在实验的四种材料中,通过离子辐照改性的聚酰亚胺(Kapton)薄膜可以在其表面生成一种具有共轭效应的强失电子官能团,而未处理的聚酰亚胺通常是得电子型的摩擦起电材料。因此,其起电性能有了反转性的改变,同时这种材料也在TENG器件中表现出一些前所未有的特性,例如高的表面电荷密度(332 μC/ m-2),出色的稳定性和超强的给电子能力,这使其在与几乎所有以前报道过的材料接触起电过程都是失去电子,例如尼龙,碳薄片,食品级耐油丁腈橡胶等。原子力显微扫描的表征证明了辐照之后的聚酰亚胺表面形貌和机械特性都没有发生大的变化,因此化学官能团的改变才是其性能改变的根源。具体实验过程和相关数据如图1所示。 

  这个研究工作,通过在分子尺度上对起电材料的特殊官能团进行特定设计进而改善宏观的起电性能。该工作可以从化学的基础层面上促进了TENG的研究,为起电材料的发展带来了突破性进展。基于这个新的界面调控方法,我们预期在之后多种特性的摩擦起电材料的合成与设计工作中会有一系列的突破,可以为聚合物摩擦起电材料的起电机理研究提供另一种实验途径。此外,本次研究得到的超正的起电材料由于其具有良好的柔性以及绝缘性也都决定了它可以应用在TENG器件以及微纳发电机。另一方面,以前高分子的辐照研究也有很多,但他们大多集中在辐射引起表面形貌和机械性能变化上,未有针对起电性能的研究。辐射诱导的自由基和化学键来增加接触带电的表面状态,改变聚合物分子的电子结合能从而改变其电学性能,这种官能团调控机理也为传统的离子辐照技术开辟了新的应用,可以预期未来会出现很多人工调控的具有不同性能的高分子材料出现,都为传统的应用指明了新的应用方向。 

1 由于产生电子给体基团,通过离子辐射对聚合物进行改性提高了有效电荷密度。

评 论
 
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