摩擦纳米发电机由两种极性不同的材料组装而成，其正极材料通常为金属（如银、铜、铝）或金属氧化物（如氧化锌、氧化铟锡）。然而，金属在环境中易被氧化、腐蚀，且金属氧化物柔韧性欠佳，从而影响到TENG的稳定性及应用领域。因此，具有优良稳定性和可塑性的高分子正极材料开始受到关注，如聚酰胺、纤维素和聚吡咯等。然而，相比金属正极材料，高分子作为正极材料的TENG的电信号输出要低得多。因此，亟需提高全高分子基的TENG的电信号输出。
图1、（a）基于高分子气凝胶的摩擦纳米发电机(A-NG)的示意图；（b）不同孔隙率的PI气凝胶对P-CTS/P-PI A-NGs电压输出的影
最近，美国威斯康星大学麦迪逊分校的Shaoqin Sarah Gong教授（通讯作者），Qifeng Zheng博士和华南理工大学Liming Fang访问教授（共同第一作者）报道了一种基于高分子气凝胶的柔性摩擦纳米发电机（A-NG）。其正极材料为纤维素（CNF）或壳聚糖（CTS）气凝胶膜，负极材料为多孔聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚酰亚胺(PI)气凝胶。相比对应的实心结构电极，气凝胶电极显著提高了摩擦纳米发电机的输出功率达11倍。该论文比较了高分子气凝胶电极的材料类型、孔隙率及比表面积等因素对TENG电性能的影响，发现随着正负电极材料极性差异和孔隙率的提高，A-NG的输出电压急剧增加（图1b）。其中孔隙率为86%的壳聚糖与孔隙率为92%的PI组装的A-NG，在受到~0.03 MPa压力的作用下，可输出60.6V的电压和7.7μA的电流，其面积功率密度达到2.33W/m2，足以驱动LED等器件或为电容器充电。
图2、基于多孔高分子气凝胶的A-NG的摩擦发电机理示意图
该工作首次将高分子多孔材料同时用作摩擦纳米发电机的正负极,并分析了材料孔隙对TENG电信号输出的影响机理（图2）。在正负电极接触分离过程中，除了接触表面产生的正负静电荷，同时孔表面因为静电感应效应亦会产生额外电荷，高比表面累计的额外电荷导致正负电极产生更大的感应电势差，从而显著提高电信号输出。另外，该工作通过化学气相沉积法，对纤维素气凝胶孔隙表面进行氨基硅烷化改性，提高其正电极性，使得TENG的电信号输出相比改性前提高了3倍。
该研究利用环保的天然高分子取代昂贵、易腐蚀的金属作为正极材料，通过改变气凝胶孔隙率和表面化学改性等简单方法，调控摩擦纳米发电机的电输出性能，对研发新型电极材料、发展高性能柔性能源捕获器件有参考价值。
来源：高分子科学前沿
