金属有机框架材料基高性能摩擦纳米发电机的制备及其摩擦电荷产生、储存与捕获机制研究

Triboelectric nanogenerators (TENGs) are of particular interest to society as one of the promising green sustainable energy technologies. Yet, challenge still remains in their low output power density, leading to the limited applications. Regarding this issue, we plan to introduce metal-organic frameworks (MOFs) into TENG field, and improve the output performance of TENGs by using the bifunctional MOFs with great triboelectric property and strong charge storage/trapping capability. Because of the diversity and designability of molecular components and structures, the building units of MOFs will be first regulated and prepared for deeply studying the influence of building units and their assembly structures on charge generation, storage and trapping capabilities of TENGs. The approaches on modification of functional groups, incorporation of guest molecules and morphology control will be then conducted to realize the preparation of bifunctional MOFs. Finally, the hybrid films consisting of MOFs and polymer matrix will be prepared to assemble TENGs. Through the comprehensive characterization and study of output performances of TENGs, the structure‒property relationship between MOFs and device performance will be clarified to provide the guideline for applying MOFs in TENGs. Therefore, with the implementation of this project, the output performance of TENGs will be further improved, bringing the breakthrough for existing application areas and satisfying the people’s urgent needs in daily life and even in military areas.

摩擦纳米发电机(TENG)作为一种绿色能源器件正受到社会越来越多的关注，但较低的输出功率阻碍了其在多个领域的广泛应用，因此进一步提高器件输出功率依旧是TENG研究的前沿与热点。针对这一难题，本项目拟在TENG领域引入金属有机框架材料(MOFs)，利用其分子组成与结构的多样性和可设计性，制备兼具高摩擦起电性能和高储存/捕获电荷能力的双功能MOFs，大幅提升TENG的输出性能。首先，通过调控MOFs的组成单元，研究MOFs组成与结构对TENG电荷产生、储存与捕获的作用机制；其次，通过官能团修饰、客体分子引入及形貌调控，实现MOFs双功能集成；最后，制备MOFs与高分子基体的复合薄膜并组装高性能TENG器件，明晰MOFs与TENG的构效关系，为MOFs应用于TENG领域提供理论指导。项目的实施有望实现TENG输出功率的进一步提高，突破现有TENG应用极限，满足更多民用甚至军事领域的应用需求。

摩擦纳米发电机 (TENG) 由于输出电压高，器件结构简单，使用材料广泛，安全性高等优势，已广泛应用于绿色能源、可穿戴、物联网等领域。然而，目前TENG面临的主要问题依旧是其有限的输出功率。为了提高TENG输出性能，现有研究大多从单一方面入手，选用高摩擦起电性能或高储存/捕获电荷能力的功能材料来提升TENG的输出性能，导致提升效果依然有限。针对这一难题，本项目提出在TENG领域引入金属-有机框架材料 (MOFs)，利用MOFs分子的多样性和可设计性，在MOFs分子中实现高摩擦起电性能或高储存/捕获电荷能力的协同作用，深入研究MOFs材料组成与结构对TENG摩擦电电荷产生、储存与捕获的作用机制，有效提高TENG的输出功率。该项目的研究内容主要包括三方面：1. 双功能型含氟MOFs（KUAST-8）材料的制备及其对TENG输出性能的有效提升：通过将兼具高初始摩擦起电电荷量及高保持电荷能力的双功能型MOF引入TENG中，成功将器件的输出功率提高了11倍，并将这种填料推广应用到了多种聚合物基体中；2. MIL-101官能团种类与器件输出性能的构效关系探究：通过在MIL-101（Cr）分子上替换不同含氮官能团（吡啶基团、氨基基团和硝基基团）制备了一系列不同摩擦电性能的MOF分子，确定MOF分子所带官能团与TENG器件之间的构效关系，含有吡啶基团的MOF材料获得最高的输出功率（51 mW cm-2）；3. ZIF-67的形貌、尺寸以及在聚合物中的排列方式与器件输出性能的构效关系探究：制备一系列不同尺寸的ZIF-67纳米颗粒以及纳米片并制备复合薄膜组装TENG器件，通过性能测试与结果分析，明晰MOFs形貌、尺寸及纳米片在基体中排列方式对TENG器件中产生、捕获和储存电荷的作用机制。本项目的完成明晰了MOFs材料成分、结构、尺寸及复合方式与TENG输出功率的构效关系，扩大了TENG的材料库，为大幅提高TENG输出性能、扩展其应用范围提供了有效途径。