中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士團(tuán)隊：面向高性能摩擦納米發(fā)電機(jī)的 PVDF/聚合物界面極性驅(qū)動與材料依賴的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)理

面向高性能摩擦納米發(fā)電機(jī)的 PVDF/聚合物界面極性驅(qū)動與材料依賴的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)理

題目：Mechanisms of Polarity-Driven and Material-Dependent Charge Transfer at PVDF/Polymer Interfaces for High-Performance Triboelectric Nanogenerators

作者：Zhe Yang, Ning Wu, Muqi Chen, Zeyang Yu, Jianming Liu, Juanli Zhao, Tao Jiang, Yaokun Pang, Zhihua Xiong, Morten Willatzen, Jianjun Luo, Zhong Lin Wang

DOI:10.1002/cnl2.70152

鏈接：https://doi.org/10.1002/cnl2.70152

第一作者：楊哲，吳寧，陳慕琦

通訊作者：吳寧，Morten Willatzen，駱健俊

單位：中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所

研究背景

在“雙碳”目標(biāo)和分布式能源需求的推動下，如何高效收集環(huán)境中的微小能量成為研究熱點(diǎn)。太陽能、熱電、濕度發(fā)電等多種技術(shù)不斷發(fā)展，其中，基于接觸起電與靜電感應(yīng)效應(yīng)的摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）因其材料選擇廣泛、結(jié)構(gòu)靈活、成本低且適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)，展現(xiàn)出在自供能電子、可穿戴設(shè)備及海洋藍(lán)色能源等領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。然而，TENG 的性能仍受到界面電荷密度低且不穩(wěn)定的限制，而界面電荷轉(zhuǎn)移正是決定其輸出電壓、電流及功率密度的核心因素。盡管通過增加接觸面積、引入官能團(tuán)或極性材料等方法可以一定程度提升性能，但其微觀電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制仍缺乏清晰認(rèn)識。

在眾多調(diào)控策略中，引入具有極化特性的材料被證明尤為有效。其中，β相聚偏二氟乙烯（β-PVDF）由于其顯著的鐵電極化，在提升界面電荷密度和摩擦電輸出方面表現(xiàn)突出。然而，與非極性的α相相比，β相為何能夠顯著增強(qiáng)摩擦電性能，其本質(zhì)機(jī)制仍未被深入揭示。同時，傳統(tǒng)基于“摩擦電序列”的材料選擇方法更多依賴經(jīng)驗(yàn)，難以從微觀層面解釋不同材料界面間的電荷轉(zhuǎn)移行為。因此，系統(tǒng)揭示鐵電極化調(diào)控下的界面電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制，對于理解并優(yōu)化TENG性能具有重要意義。

成果介紹

中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士團(tuán)隊通過第一性原理計算與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，系統(tǒng)研究了鐵電聚合物β相PVDF在摩擦界面中的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)理，揭示了材料極性與化學(xué)組成對界面電荷轉(zhuǎn)移行為的調(diào)控及影響規(guī)律。結(jié)果表明，具有顯著鐵電極化的β相PVDF在界面處能夠產(chǎn)生內(nèi)建電場，從而顯著增強(qiáng)電荷轉(zhuǎn)移能力，而非極性的α相PVDF則表現(xiàn)出較弱的電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，界面電荷主要來源于聚合物的官能團(tuán)，其轉(zhuǎn)移強(qiáng)度呈現(xiàn)出明確的材料依賴關(guān)系：β-PVDF/Nylon ＞ β-PVDF/PDMS ＞ β-PVDF/PVC ＞ β-PVDF/PE ＞ β-PVDF/PTFE ＞ β-PVDF/FEP，對應(yīng)電子從低功函數(shù)材料向高功函數(shù)β-PVDF轉(zhuǎn)移。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計算結(jié)果一致，證實(shí)基于β相PVDF的摩擦納米發(fā)電機(jī)具有更高的電學(xué)輸出性能。本研究從微觀層面揭示了鐵電極化驅(qū)動的界面電荷重分布機(jī)制，突破了傳統(tǒng)摩擦電序列的經(jīng)驗(yàn)性認(rèn)識，為高性能、可調(diào)控摩擦納米發(fā)電機(jī)的材料設(shè)計提供了重要理論依據(jù)。相關(guān)成果以“Mechanisms of Polarity‐Driven and Material‐Dependent Charge Transfer at PVDF Polymer Interfaces”為題發(fā)表在高水平期刊 Carbon Neutralization 上。

本文亮點(diǎn)

1、從微觀層面闡明β相PVDF通過其內(nèi)建電場可顯著增強(qiáng)界面電荷轉(zhuǎn)移，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證β相PVDF可顯著提升TENG的輸出性能，為極性材料可增強(qiáng)TENG的輸出性能提供了理論指導(dǎo)。

2、系統(tǒng)給出了不同聚合物體系的電荷轉(zhuǎn)移規(guī)律，且理論計算與實(shí)驗(yàn)規(guī)律高度一致，為TENG的材料選擇提供了可預(yù)測的理論依據(jù)，并從微觀機(jī)理層面突破了傳統(tǒng)“摩擦電序列”的經(jīng)驗(yàn)性局限。

本文要點(diǎn)

要點(diǎn)一

極性增強(qiáng)電荷轉(zhuǎn)移

圖1：β相與α相PVDF分別與六種典型聚合物（Nylon、PDMS、PVC、PE、PTFE和FEP）構(gòu)建的界面模型。

圖1展示了β相與α相PVDF分別與六種典型聚合物（Nylon、PDMS、PVC、PE、PTFE和FEP）構(gòu)建的界面模型，用于對比分析極化對界面電荷轉(zhuǎn)移行為的調(diào)控作用。

圖2：β相與α相PVDF分別與Nylon和FEP界面的差分電荷密度、平均靜電勢以及態(tài)密度。

圖2對比展示了β相與α相PVDF分別與典型聚合物界面的電荷轉(zhuǎn)移行為，并結(jié)合靜電勢與態(tài)密度分析揭示鐵電極化及內(nèi)建電場對界面電荷轉(zhuǎn)移的調(diào)控作用。其中，選取Nylon與FEP作為代表體系，分別對應(yīng)β-PVDF體系中電荷轉(zhuǎn)移最強(qiáng)與最弱的界面情況。

要點(diǎn)二

聚合物依賴的電荷轉(zhuǎn)移

圖3：β相PVDF與六種典型聚合物界面的差分電荷密度與對應(yīng)態(tài)密度。

圖3展示了β相PVDF與不同聚合物界面的局域電荷密度分布及相關(guān)態(tài)密度，系統(tǒng)分析了界面電荷轉(zhuǎn)移過程中具體原子與官能團(tuán)的影響機(jī)理，揭示了主導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵原子與官能團(tuán)及其對電荷轉(zhuǎn)移行為的調(diào)控作用。

要點(diǎn)三

電荷轉(zhuǎn)移的調(diào)控機(jī)理

圖4：β相PVDF與六種典型聚合物的能帶結(jié)構(gòu)。

圖4給出了β相PVDF與六種典型聚合物界面的能帶結(jié)構(gòu)，用于揭示鐵電極化與不同聚合物對體系電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控及影響規(guī)律。

圖5：PVDF與不同聚合物的能級對齊關(guān)系及β相PVDF界面電荷轉(zhuǎn)移與聚合物功函數(shù)之間的線性關(guān)系。

圖5通過對比不同聚合物的功函數(shù)與β相PVDF界面電荷轉(zhuǎn)移行為，揭示了功函數(shù)差異對電子轉(zhuǎn)移方向與強(qiáng)度的主導(dǎo)作用。

要點(diǎn)四

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖6：摩擦納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理，并從實(shí)驗(yàn)上對比了α相與β相PVDF與不同聚合的輸出性能。

圖6從實(shí)驗(yàn)上系統(tǒng)對比了不同PVDF/聚合物摩擦電體系的輸出性能（電壓、電流及轉(zhuǎn)移電荷）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，β相PVDF可顯著增強(qiáng)界面電荷轉(zhuǎn)移并提升器件輸出性能，同時其輸出大小規(guī)律與理論計算結(jié)果一致。

本文小結(jié)

本研究結(jié)合第一性原理計算與實(shí)驗(yàn)研究，系統(tǒng)揭示了鐵電極化與聚合物種類對PVDF/聚合物界面電荷轉(zhuǎn)移行為的調(diào)控規(guī)律。結(jié)果表明，β相PVDF由于其內(nèi)建電場的存在，可顯著增強(qiáng)界面電荷轉(zhuǎn)移能力，而非極性的α相PVDF則表現(xiàn)出明顯較弱的電荷轉(zhuǎn)移行為，并對應(yīng)較低的摩擦電輸出性能。在β-PVDF與不同聚合物構(gòu)成的體系中，界面電荷轉(zhuǎn)移呈現(xiàn)出材料依賴的大小規(guī)律：β-PVDF/Nylon ＞ β-PVDF/PDMS ＞ β-PVDF/PVC ＞ β-PVDF/PE ＞ β-PVDF/PTFE ＞ β-PVDF/FEP，且轉(zhuǎn)移電荷主要集中在聚合物的官能團(tuán)附近。同時發(fā)現(xiàn)，界面電荷轉(zhuǎn)移量與聚合物功函數(shù)之間呈線性關(guān)系，且低功函數(shù)材料更易向PVDF發(fā)生電子轉(zhuǎn)移。實(shí)驗(yàn)證實(shí)了理論計算結(jié)果，進(jìn)一步驗(yàn)證了β相PVDF在提升TENG輸出性能方面的優(yōu)勢，并從實(shí)驗(yàn)上支持了材料依賴的電荷轉(zhuǎn)移規(guī)律。本研究從微觀層面闡明了鐵電極化調(diào)控界面電荷轉(zhuǎn)移的微觀機(jī)理，為高性能摩擦納米發(fā)電機(jī)的材料設(shè)計與優(yōu)化提供了重要原子和電子層面的理論依據(jù)。

作者介紹

通訊作者

吳 寧

中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所助理研究員。主要從事摩擦納米發(fā)電機(jī)、摩擦學(xué)及材料表界面物理等方面的研究。研究體系涵蓋多種材料，包括極性半導(dǎo)體、鈣鈦礦、石墨烯以及聚合物等，并持續(xù)以開放的視角探索新型材料體系及其物性規(guī)律。在Nature Communications、Advanced Functional Materials、Friction等期刊上發(fā)表論文20篇。

通訊作者

Morten Willatzen

中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所資深研究員。主要從事納米材料聲學(xué)、光學(xué)及電學(xué)等物理性質(zhì)的建模與模擬研究，重點(diǎn)聚焦壓電半導(dǎo)體材料的電子學(xué)性質(zhì)及其在壓電電子學(xué)中的應(yīng)用。研究內(nèi)容涵蓋壓電電子學(xué)理論與器件的模擬與設(shè)計，并拓展至聲學(xué)性質(zhì)調(diào)控、多功能光電耦合器件及新型壓電感應(yīng)與執(zhí)行器件等方向。

通訊作者

駱健俊

中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所副研究員。主要從事微納能源器件與自驅(qū)動系統(tǒng)的研究。近年來以第一作者或通訊作者在Nature Food、Nature Communications、Science Advances、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Materials Science and Engineering: R: Reports、ACS Nano等期刊上發(fā)表論文20余篇，論文總引用7000余次，H因子43，連續(xù)三年入選Elsevier全球前2%頂尖科學(xué)家榜單（2023-2025）。

期刊介紹

發(fā) 展 歷 程

2022年7月17日

期刊首刊發(fā)布儀式

2023年3月10日

期刊編委會在中國國際鈉離子電池前沿技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇期間舉辦

2023年3月11日

高級編委聘任儀式在中國國際鈉離子電池前沿技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇上舉行

2023年5月

被國際知名學(xué)術(shù)期刊數(shù)據(jù)庫DOAJ收錄

2024年3月10日

助力第二屆中國國際鈉離子電池前沿技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇

2024年4月16日

被ESCI數(shù)據(jù)庫收錄

2024年9月20日

助力2024納米材料與器件創(chuàng)新發(fā)展大會

2024年11月16日

助力2024世界青年科學(xué)家峰會新能源技術(shù)論壇

2025年6月18日

獲得首個影響因子=12

2025年7月18日

被EI數(shù)據(jù)庫收錄

2025年8月16日

被Scopus數(shù)據(jù)庫收錄

2025年8月21日

助力2025全省特種電池材料與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室正式啟動

2025年11月26日

2026年3月24日

入選新銳分區(qū)（原中科院分區(qū)）

Carbon Neutralization（《碳中和研究》期刊）是溫州大學(xué)與Wiley共同出版的國際性跨學(xué)科開放獲取期刊，立志成為綜合性旗艦期刊。期刊于2022年創(chuàng)刊，名譽(yù)主編由澳大利亞新南威爾士大學(xué)Rose Amal院士擔(dān)任，主編由溫州大學(xué)校長趙敏教授和溫州大學(xué)碳中和技術(shù)創(chuàng)新研究院院長侴術(shù)雷教授擔(dān)任，編委會由來自11個國家和地區(qū)的28名國際知名專家學(xué)者組成，其中編委會19位編委入選2025年度全球“高被引科學(xué)家”。且期刊已被ESCI、Scopus、EI、CAS、DOAJ數(shù)據(jù)庫收錄，入選為中國科技期刊卓越行動計劃二期高起點(diǎn)新刊、新銳分區(qū)，并于2025年獲得首個影響因子12。

Carbon Neutralization（《碳中和研究》期刊）重點(diǎn)關(guān)注碳利用、碳減排、清潔能源相關(guān)的基礎(chǔ)研究及實(shí)際應(yīng)用，旨在邀請各個領(lǐng)域的專家學(xué)者發(fā)表高質(zhì)量、前瞻性的重要著作，為促進(jìn)各領(lǐng)域科學(xué)家之間的合作提供一個獨(dú)特的平臺。

一審 |

駱健俊

二審 |

謝棉棉

三審 |

侴術(shù)雷

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期刊編輯部

carbon-neutralization@wzu.edu.cn.

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