使用二氧化硅微球单层改性的聚二甲基硅氧烷复合薄膜提升摩擦电纳米发电机的输出性能

《Sensors and Actuators A: Physical》：Enhanced Output Performance of Triboelectric Nanogenerators Using Polydimethylsiloxane Composite Films Modified with a Monolayer of Silicon Dioxide Microspheres

　　

王勇|尤景源|李友翔|朱一阳|雷瑞|胡宏伟|程光贵|张云

江苏大学机械工程学院，镇江212013，中国

摘要

聚二甲基硅氧烷（PDMS）被广泛用作摩擦电纳米发电机（TENG）中的负摩擦层。具有平坦PDMS薄膜的TENG通常输出电压较低（大约几十伏），这需要进一步改进以增强接触充电过程中的电荷生成。本研究提出了一种经济有效的方法，用于制备经过二氧化硅微粒单层改性的PDMS复合薄膜。实验和理论分析表明，这种微粒单层能有效提高TENG的电输出。基于这种复合薄膜的TENG开路电压为191伏，短路电流为3.54微安，分别比平坦PDMS层提高了269%和255%。在最佳负载电阻范围内，SP-TENG的最大瞬时功率密度达到1.23瓦特·平方米（W·m^-2），同时表现出优异的机械稳定性和耐久性。这种方法为降低大规模生产中微纳结构的制造成本提供了有效解决方案，同时提高了TENG的输出性能。

引言

摩擦电纳米发电机（TENG）是一种新型能源技术，它通过接触充电和静电感应将环境中的机械能转化为电能[1]，[2]。它可以有效地捕获来自多种来源的机械能，如海洋能[3]、风能[4]、[5]、振动[6]、[7]和人体运动[8]、[9]。TENG具有显著的优势，包括设计简单、成本低廉、材料选择范围广[10]以及高效的低频运行[11]。此外，其独特的环境能量收集方法、强大的适应性和与小型电子设备的兼容性使其非常适合自供电传感应用[12]，[13]。

开路电压（V_oc）和短路电流（I_sc）是TENG设备的两个关键参数，因为它们直接决定了功率输出。较高的V_oc使TENG能够捕捉到更微妙的机械信号。聚二甲基硅氧烷（PDMS）由于其高电子亲和力和良好的弹性而被广泛用作TENG中的负摩擦电材料。然而，PDMS相对较低的介电常数限制了基于PDMS的TENG的输出性能。为了提高其性能，已经开发了许多策略来修改PDMS层，例如表面改性[14]、[15]、纳米材料装饰[16]、[17]以及制造微纳结构[18]、[19]。

表面改性是一种通过修改表面化学性质来提高接触时电荷转移效率的方法。在各种技术中，紫外线/臭氧（UVO）是一种经济有效的技术，以其快速处理和一致的结果而闻名。YUN等人利用UVO对PDMS进行了改性，将Si?CH?键转化为极性官能团，如Si?O、Si?OH和Si?COOH，从而改善了其摩擦电性能[20]。其他技术，如中性束（NB）处理[21]和原子氧（AO）辐照[22]，也引入了含氧或含氮的官能团以增强性能。然而，尽管这些化学改性有效，但引入的官能团在反复机械接触下可能会降解，从而引发对长期耐久性的担忧。

另一种方法是纳米材料装饰，即向PDMS中掺入高介电常数的纳米颗粒以形成复合薄膜。例如，Suo等人开发了一种使用BaTiO₃/PDMS复合薄膜的TENG，由于压电效应和摩擦电效应的共存，其输出性能得到了提高[23]。为了进一步改善电荷诱导和捕获，Liu等人采用了rGO/FEP填料作为双介电策略，显著提高了TENG的输出功率[24]。在介电填料成功的基础上，Lee等人通过将表面改性的碳纳米管（SMCs）和BaTiO₃纳米颗粒嵌入PDMS中，采用了双填料结构[25]。SMCs的导电性与BaTiO₃的高介电常数相结合，实现了TENG性能的协同增强。

在PDMS表面制造微纳结构是最有效的方法，因为它通过增加接触面积直接提高了电荷密度。Yang等人使用光刻和蚀刻技术在PDMS上制造了沟槽纹理[26]。Tao等人进一步将纹理发展为微金字塔结构，因为与沟槽结构相比，微金字塔结构提供了更大的接触面积[27]。Hinna等人提出了一种使用可重复使用的图案化铝模具对PDMS进行纹理处理的技术[28]。为了降低制造过程的成本和复杂性，Xiao等人引入了一种砂纸模板方法来粗糙化PDMS表面，以增加有效接触面积[29]。

尽管已经开发了许多PDMS表面工程方法，但精度和成本之间往往存在权衡。此外，经过表面改性的PDMS在摩擦下容易使官能团降解，需要额外的处理来确保长期稳定性。对于批量掺杂，控制局部颗粒浓度仍然很困难[30]。虽然蚀刻技术可以精确调节微纳结构，但它们不可避免地受到固有物理限制[31]。用微球修饰PDMS表面似乎是一种解决这一问题的有前景的技术。球形图案不仅比圆柱形结构具有更高的面积与体积比[32]，而且与圆锥和金字塔相比，还具有更好的耐磨性和抗变形性。

本研究提出了一种经济有效的方法来制备PDMS复合薄膜，利用旋涂技术[33]、[34]、[35]。二氧化硅（SiO₂）微球被均匀分散并牢固地固定在PDMS表面上，形成一层分布密集的SiO₂。这种SiO₂@PDMS复合薄膜增加了接触面积，从而提高了电荷密度，增强了所制备TENG的输出性能。实验结果表明，SP-TENG的开路电压（V_oc）为191伏，短路电流（I_sc）为3.54微安，瞬时功率密度为1.23瓦特·平方米（W·m^-2）。SP-TENG的性能通过其为电容器充电和驱动LED的能力得到了验证。此外，SP-TENG还能够实时监测人体运动和活动，为智能可穿戴应用提供了有价值的数据。

章节片段

材料

PET薄膜购自上海华东复合绝缘厂。PDMS（Sylgard 184，Dow Corning）购自苏州新材料科技有限公司。单分散二氧化硅（SiO₂（中位粒径1微米）购自上海博威应用材料科技有限公司。TSC(C₆H₅Na₃O₇）、PVP和APTES购自上海Macklin。铜箔带和铜线购自科盛实业有限公司。其他常规化学品均为分析级

SiO₂@PDMS复合薄膜的微观结构表征

图1b-1f展示了不同SiO₂微粒浓度（1 wt%、3 wt%、5 wt%、7 wt%、10 wt%）的SiO₂@PDMS复合薄膜的SEM图像。插图是相应的粒径分布直方图。对于图1b中的1 wt%浓度，SEM图像显示PDMS上分布着稀疏的SiO₂微粒。随着颗粒浓度的增加，更多的SiO₂微粒可以涂覆在PDMS表面上，导致微粒数量增加。

结论

总之，本研究设计并制备了基于SiO₂@PDMS复合薄膜的SP-TENG。在PDMS薄膜表面形成了一层SiO₂微粒，构建了微纳结构。SiO₂@PDMS复合薄膜具有低成本和优异的耐磨性。优化的SP-TENG设备开路电压为191伏，短路电流为3.54微安，其输出性能分别达到了纯PDMS基TENG的269%和255%。其瞬时功率

CRediT作者贡献声明

张云：写作——审阅与编辑，撰写——初稿，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。程光贵：写作——审阅与编辑，正式分析，概念化。胡宏伟：正式分析。雷瑞：写作——审阅与编辑，正式分析，概念化。朱一阳：数据管理。李友翔：正式分析，数据管理。尤景源：正式分析，数据管理。王勇：写作——审阅与编辑，撰写——初稿

作者声明没有已知的财务利益冲突。

利益冲突声明

作者声明他们没有可能影响本文所述工作的已知财务利益或个人关系。

王勇目前在中国江苏大学攻读光学工程硕士学位。他的研究重点是柔性光电子学及其在摩擦电纳米发电机中的应用。