摩擦纳米发电机（TENG）因其适应性、灵活性和生态友好性而具有广泛的应用前景。几乎所有聚合物都能产生摩擦起电效应。研究三电聚合物的内部电荷转移行为可以更好地促进能量收集过程中的能量转换效率，有助于拓宽摩擦电聚合物在自供电传感领域的应用场景。摩擦运动过程中，施加的正压力是影响电荷输出性能和摩擦电器件寿命的主要因素之一。然而，以往对基于 TENG 的聚合物基传感器的研究主要集中在提高灵敏度和稳定性方面，传感范围更多集中在弱压方面，其上限很少超过 10 兆帕，高压力下摩擦电荷转移过程与能够在高压力作用下应用的聚合物基TENG仍有待进一步探究。另一方面，已有研究表明，超高压力能够影响如相变、弹性性能和与缺陷相关的变形机制，从而影响材料物理性能，实现对材料特殊性能的操纵。因此，全面探索超高压下摩擦电聚合物材料的结构和电荷转移性能，可加深对摩擦电材料的理解，促进摩擦纳米发电机在极端条件下的应用。
近日，纳米能源与系统研究所陈翔宇课题组研究了超高压下摩擦电聚合物分子结构和内置电场的变化。观察了不同摩擦电聚合物超高压下内置电场的衰减和电荷的逸出过程，探究了包括分子链和晶体结构变化在内的大分子构象变化引起的深陷阱的重新分布现象。并制作出了一种用于超高压力条件下的摩擦电传感器，其线性传感区间1-100MPa。
2024年10月23日，该工作以“Charge transfer behavior of triboelectric polymers and triboelectric sensors operated under ultra-high pressure”为题在线发表在SusMat上。
图1(A) 基于 TENG 的压力传感器应用于各种场景，以检测不同的压力范围。(B) 随着施加压力的不断增加，摩擦电材料结构和电荷转移过程可能发生的变化以及潜在的应用场景。
图2(A) 研究超高压下摩擦电聚合物材料电荷转移过程的实验系统示意图。(B) PTFE、(C) Kapton、(D) PA6 和 (E) FEP 在压力变化过程中的动态电荷密度信号。(F) 超高压下三电聚合物的厚度变化。(G) 不同材料在受压和压力释放过程中总电荷密度的变化统计。
图3(A) 常压下电荷转移和高压下内电场衰减的机制。(B)聚合物内部结构变化和深陷阱重新分布引发电荷转移过程的机制。不同压力作用前后聚合物薄膜与尼龙接触的饱和电 荷密度，包括 (C) PTFE、(D) Kapton 和 (E) FEP。
图4(A) 传感器结构示意图。(B) 传感器工作原理示意图。(C) 压力传感器的稳定性测试。(D) 不同压力下的电压输出 (E) 线性区间内不同压力下的电压输出。(F)电压输出稳定性。(G)已报道的聚合物压力传感器的可传感范围。这项工作可以进一步阐明了摩擦电材料电荷转移行为，特别是与摩擦电聚合物材料分子结构相关的电荷转移机制。所提出的宽范围压力摩擦电传感器可将基于聚合物的有源传感器的检测范围扩展到一个新的水平，并促进摩擦电器件在各种极端环境中的应用，进一步为推广能够在极端条件下应用的TENG压力传感器提供策略。原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/sus2.250
陈翔宇，中国科学院北京纳米能源与系统研究所研究员，国家优青，博士生导师，微纳系统研究部主任，研究所党委委员兼团委书记。入选国家基金委优青，北京市特聘专家，北京市青年拔尖人才，北京市科技新星，中国科学院青促会会员。陈翔宇主要从事聚合物功能材料及纳米能源器件的相关研究，包括聚合物电介质材料的加工设计与电荷迁移机制研究、虚拟现实技术与可穿戴传感器、智能形变材料与器件、光催化自清洁材料等方向，以第一作者(共同一作)和通讯作者身份在Chem. Rev., Sci. Adv.，Nat Common，EES，Adv Mater，Materials Today，等杂志发表SCI学术论文共60余篇，影响因子大于15的文章50余篇，引用过百次的一作/通讯文章20余篇。目前承担国家基金委的优青、面上(2)和青年项目；北京市海聚工程项目、高创计划项目、科技新星项目，科技新星交叉择优支持和面上基金；中国科学院青促会项目和优秀教师能力提升项目；清华大学新型陶瓷国重开放课题的重点项目；国家重点研发计划“纳米科技”重点专项；青岛科技局前言关键技术攻关项目等等。担任日本电气工程协会项目委员会委员，中国介电复材专委会委员，“中国高分子三刊”联合青年编委，在《SmartMat》、《Nanomaterials》等期刊担任青年编委和编委。
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