基于金属有机框架复合材料的高输出耐湿性摩擦发电机

With its light weight, low cost and high efficiency, the triboelectric generator is considered as a sustainable and renewable energy source for self-powered or mobile electronics. However, the output performance of triboelectric generator is still very low and it is necessary to further improve the output performance for the implementation of triboelectric generator in large-scale commercial applications. In addition, high humidity have a great negative influence on the performance of triboelectric generator. Therefore, how to avoid the influence from environmental factors becomes one of the key problems in practical applications for the triboelectric generator.This project plan to design the composite film as the tribo-material of the triboelectric generator through filling the classical metal-organic frameworks (MOFs) into the common organic polymer and analyze the effect of MOFs on the output performance and moisture resistance of triboelectric generator by changing the main framework and functional group of ligand of MOFs, respectively. It is expected to obtain MOFs materials for efficient power generation to break through the bottleneck that the performance of triboelectric generator degrades dramatically with an increase of relative humidity. Carrying out the project is conducive to exploring excellent MOFs that can generate electricity efficiently, providing a valuable experimental and theoretical basis for obtaining humidity-resistive triboelectric generator with high output performance, and promoting the application of triboelectric generator.

摩擦发电机重量轻，成本低，效率高，是自供电或移动电子产品的可持续再生能源。然而，摩擦发电机的输出性能仍然很低，有待进一步提高以加速大规模商业应用。此外，高湿度对摩擦发电机的性能有很大的负面影响。因此，如何使摩擦发电机避免来自这些环境因素的影响，成为实际应用中的关键问题之一。本项目以经典金属有机框架（MOFs）为填充材料，掺杂到常见有机聚合物材料中，设计复合薄膜，作为摩擦发电机器件的摩擦材料。通过改变MOFs的主体框架和配体的官能团两种策略，研究MOFs材料对摩擦发电机输出性能以及耐湿性两方面的影响，有望获得高效发电的MOFs材料，突破其性能随湿度增大而降低的这一瓶颈问题。项目的开展有利于探索出高效发电的MOFs材料，为获得高输出耐湿性摩擦发电机提供有价值的实验依据和理论基础，推进摩擦发电机在实际生活中应用的步伐。

摩擦发电机（TENG）可以将机械能直接转化为电能。然而，TENG的输出性能仍然很低，需要进一步改善以加快商业应用。与传统的摩擦电材料有机聚合物不同，金属有机框架化合物 (MOFs)可以定向设计合成并用各种官能团进行功能化。本项目集中研究基于金属有机框架化合物的摩擦发电机，具体结果如下：.1 选择同构的UiO-66-X（X=H、NH2、NO2和Br）作为摩擦材料，研究不同官能团与TENG摩擦性能之间的潜在关系。结果表明，UiO-66-NO2 TENG呈现出最大的输出电压（23.79V）和电流（0.29μA），分别是UiO-66 TENG的3.19和4.14倍。通过实验和理论计算深入探讨了MOFs TENG的工作机制。.2 设计了一种基于PDMS和ZIF-8的柔性透明复合膜的TENG。当ZIF-8的量为4wt%时，TENG产生的输出电流和电压逐渐增加至16.3μA和176V，比没有ZIF-8的TENG高出210%和230%。掺杂的ZIF-8降低了PDMS的有效功函数并提高了表面电荷密度，这一机理通过开尔文探针力显微镜测量得到验证。.3 设计了基于同构UiO-66-R（R=H、NH2、NO2和Br）填料的聚二甲基硅氧烷（PDMS）复合膜TENG，并首先系统地研究了具有各种官能团的填料对TENG输出性能的影响。PDMS@UiO-66-NO2 TENG的开路电压约为191V，电流约为17.3µA，分别是PDMS TENG的3.6倍和4.25倍。通过实验详细讨论了复合TENG的工作机制。