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国际权威期刊Nano Energy 杂志发表了可靠性与系统工程学院智能检测与诊断团队与中国工程物理研究院研究生院基于生物友好材料壳聚糖的摩擦纳米发电机的最新研究成果:“Modulating crystallinity and dielectric constant of chitosan film for triboelectric polarity shift and performance enhancement in triboelectric nanogenerators”。该论文被选为第Vol 117期(2023年12月)的封底文章。北航林京教授、中国工程物理研究院研究生院关雪飞教授、娄伟涛博士后为论文合作作者,北航博士生方泽豪为第一作者,何晶靖副教授为该文章的通讯作者,北航为研究论文的第一/通讯单位。

摩擦电纳米发电机(TENG)作为一种新兴技术,在能量收集方面具有广阔的应用前景。此项研究提出了一种基于壳聚糖的结晶度调控和介电性能增强的策略。封面的主体,以螃蟹的形式突出所使用的生物材料壳聚糖。螃蟹体内表达了本文摩擦电改性的两种机理:材料内壳聚糖聚合物链形成了结晶结构(蓝色小方块),通过调控结晶程度,可实现摩擦电极性的转变。另一方面,聚合物链缠绕的碳纳米管,在界面处会产生深陷态,从而诱导更多摩擦电荷,提升摩擦电性能。

研究通过分析壳聚糖分子链的静电势图,与表面电势表征技术相结合,解释了由壳聚糖结晶结构产生的独特的摩擦电极性转移机理。此调控策略拓展了壳聚糖基TENG的配对材料选择和应用场景,并且为其他生物材料的摩擦电改性研究提供了可能的方案。

同时,通过掺杂纳米材料单壁碳纳米管(SWCNT),实现不同结晶度的壳聚糖薄膜的介电性能增强,进而提升摩擦电性能。优化后的TENG最大转移电荷密度为262 μC m-2,并且在20%~85%的湿度范围内表现出优异的输出稳定性。本研究为调控壳聚糖的摩擦电极性,提高其性能和稳定性提供了新的思路,促进了天然生物材料在TENG领域的发展。

本项工作得到了国家自然科学基金联合基金重点项目及宁波市国际科技合作项目资助。

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