摩擦納米發電機(TENG)是一種自供電的能量收集裝置,由聚合物組成的TENG具有廣闊的應用前景。然而在高溫環境下,不可避免的熱電子發射效應釋放聚合物表面的靜電荷;同時,溫度升高會破壞大多數聚合物的熱性能和機械性能,這將進一步降低TENG的電輸出性能。因此,開發耐高溫摩擦電聚合物材料的研究極具挑戰性。
針對這一挑戰,東華大學材料學院游正偉教授、管清寶教授團隊合成了一種高溫增強型摩擦電材料——液晶聚芳酯(Liquid crystalline polyarylate, LCP)。該材料通過一步熔融縮聚法制備,其高剛性芳環主鏈結構賦予摩擦納米發電機(TENG)優異的熱穩定性(圖1),展現出LCP作為高溫摩擦電材料的潛力。此外,該工作通過引入抗氧化劑清除鏈式反應中的自由基并促進過氧化物分解,提升了LCP的熱氧穩定性。基于抗氧化LCP的高溫增強型TENG(HTE-TENG)在200 °C時的峰值電壓較25°C提升了144.1%,其峰值輸出功率密度在109 Ω負載時為1071.3 mW·m−2(圖2),表明高溫對電輸出性能具有顯著的增強效果。HTE-TENG的高溫增強特性與LCP的介電性能(圖3A、3B)有關,LCP在100 °C以上介電性能的突變對應DMA曲線的β轉變(聚合物無定形區域中受限鏈段的局部運動)。當溫度達到β轉變溫度附近,鏈段運動的激活顯著增強了偶極子的取向極化能力,導致更高的介電常數,因此提高了摩擦電輸出性能;此外,LCP粗糙表面的不規則性增加了摩擦電相對接觸表面積(圖3C、3D),進一步提高HTE-TENG的電輸出性能。這項工作為能源裝置和電子設備提供了一條可持續的路線,拓展了TENG在救援工作、個人防護和極端環境中的潛在應用。
2025年7月7日,該工作以“High-Temperature Enhancing Triboelectric Nanogenerator Based on Antioxidant Liquid Crystalline Polyarylate”為題發表在《Advanced Materials》上(Adv. Mater. 2025, 2510431)。該研究得到國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金面上項目以及東華大學2025年學科創新領域培育項目的支持。
圖1 LCP的分子結構設計與性能優勢
圖2 HTE-TENG的輸出性能
圖3 LCP的介電性能和表面微觀形貌
該工作是高性能摩擦電材料,特別是面向極端環境應用的最新進展之一。團隊長期深耕LCP結構設計與合成,充分利用其獨特的耐高溫性和摩擦電特性,成功構建了可在高溫環境下穩定高效工作的摩擦電材料,拓展了TENG在高溫場景的應用潛力。團隊近年來系統性地探索了LCP的多種卓越性能及其在TENG領域的應用,通過LCP分子取向調控賦予TENG本征阻燃性能(Adv. Mater., 2022,34, 2204543),LCP高剛性全芳香族主鏈密集的剛性鏈堆疊可以有效阻止熱傳遞。同時,LCP降解時會釋放出少量二氧化碳,通過稀釋燃燒過程中的氧氣濃度,防止火勢蔓延。LCP表面形成的炭層具有保護作用,減少甚至阻止氧氣和熱傳遞,從而為發電機和電子設備提供安全保障,無需添加阻燃劑即可通過高溫碳化自保護機制抑制燃燒,避免可燃氣體釋放,顯著提升TENG的安全性。以高性能LCP為核心,團隊研發制備原位生成納米纖維自增強復合材料(Adv. Mater., 2024, 36, 2312500),拓展TENG穩定性和可再加工性,并通過分子結構設計交聯固化得到熱固性液晶聚芳酯(Adv. Mater., 2024, 36, 2403908),這些創新的分子設計為調和相互沖突的材料特性開辟了途徑,并為開發下一代高性能聚合物的策略基礎和設計思路。
總結:團隊系統性地探索了LCP的多種卓越性能,并通過創新分子設計實現了多項突破,為極端環境能源裝置提供了新策略,有望推動TENG在高溫救援、防護裝備及特種電子設備中的應用,為開發適用于極端環境的新一代高性能聚合物和先進TENG器件開辟了廣闊道路,拓展可持續能源技術邊界。
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https://doi.org/10.1002/adma.202510431
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