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    【Adv.Mater.】抑制接触起电中热电子发射实现摩擦纳米发电机工作温度的提升
    发表日期: 2018-08-12 文章来源:
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      【引言】 

      由于接触起电(摩擦起电)常常会导致放电,曾被认为是一种负面效应。但是,基于接触起电和静电感应,利用麦克斯韦位移电流原理发明的摩擦纳米发电机(Triboelectric nanogeneratorTENG),却可以收集环境中多种形式的动能并转化为电能,展现出了良好的应用前景。 

      一般认为摩擦起电只在常温下发生,目前几乎所有的TENG都仅在该温度范围内适用。这就提出了一个有趣的问题,高温下可以产生摩擦起电吗?实验表明在500K的温度以上TENG的电压就会迅速下降,这种下降可能源于高温使得其中的聚合物摩擦电材料表面受到了损伤。研究者在前期研究(Adv. Mater. 2018, 30, 1706790)中制备出了一种不含聚合物的TENG,尽管由于发电量低无法实现真正应用,但是由于其可以承受最高673 K的温度,因此就为揭示高温条件下摩擦起电的机理以及发明具有实用价值的耐高温TENG提供了可能性。如果能够制备出耐高温TENG,将有利于进一步拓展其应用领域,例如可用于地球上的极端高温环境,也可为即将到来的太空及外星探索,提供一种新颖的能源解决思路。     

      【成果简介】 

      近日,佐治亚理工学院教授、中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士指导下,许程副教授、王琦博士生、邹海洋博士生、张彬彬博士生(共同一作)等研究人员开发出了一种能够应用于673K高温下的TENG,并首次揭示了引入温度效应的普适的接触起电机制。研究人员首先设计并制备旋转式独立摩擦层模式的TENG,发现其性能523K温度后开始下降,结果显示这主要是由于热电子发射效应导致的高温下起电量的下降。因此,要想获得更高温度下的摩擦起电,必须对热电子发射进行抑制。通过预退火方法使两种材料表面直接物理接触,成功实现了热电子发射的抑制,使得该TENG的工作温度提升至673K。这个工作稳定可能大大超过了一般电磁发电机的工作温度。上述实验基础上,分别提出了高温下接触起电机理的表面态模型(图1电子云-势阱模型(图2)。其中,表面态模型可用来解释金属-电介质以及电介质-电介质间的接触起电。电子云-势阱模型则可以解释用能带结构无法描述的两种固体间的接触起电,该模型同时揭示除了热电子发射的影响外,原子热振动也会对接触起电产生影响。相关成果以Raising the Working Temperature of a Triboelectric Nanogenerator by Quenching down Electron Thermionic Emission in Contact-Electrification为题发表在Adv. Mater. 

    https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201803968)。

    1 高温条件下解释接触起电机理的表面态模型。a-c) 金属和电介质(En低于EF)在接触前、接触时和分开后的电荷转移情况。Φ,金属的功函;EF,费米能级;EVAC,真空能级;EC,导带;En, 表面态的中间能级;EV,价带;d-f) 金属和电介质(En高于EF)在接触前、接触时和分开后的电荷转移情况;g-i) 两种电介质(前者的En高于后者)在接触前、接触时和分开后的电荷转移情况。

    2 高温条件下解释接触起电机理的电子云-势阱模型。a-c) 无法简单用能带结构描述的两种固体的两个原子在接触前、接触时和分开后的电荷转移情况;d-f) 当两个原子接触距离分别为d0, dmindmax时原子热振动对电荷转移的影响。

    评 论
     
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