离子辐照改性摩擦纳米发电机材料的重要进展
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- 发布时间：2020-03-23 17:09
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【概要描述】本项研究工作，突破了表面结构改性的传统思路，另辟蹊径，通过在分子尺度上对起电材料的特殊官能团进行特定设计，进而显著提高宏观的起电性能，并揭示了其起电机理，为新型起电材料的设计和发展，提供了全新的策略和方法，带来了突破性进展。
离子辐照改性摩擦纳米发电机材料的重要进展
【概要描述】本项研究工作，突破了表面结构改性的传统思路，另辟蹊径，通过在分子尺度上对起电材料的特殊官能团进行特定设计，进而显著提高宏观的起电性能，并揭示了其起电机理，为新型起电材料的设计和发展，提供了全新的策略和方法，带来了突破性进展。
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北京大学物理学院付恩刚研究团队Energy & Environmental Science发文，首次将载能离子束与摩擦纳米材料相结合，提出了通过低能高密度氦离子的辐照来调控聚合物的摩擦电表面电荷密度的策略和方法，并成功获得超强正电性起电材料。
图1. 离子束辐照改性高分子材料机理与电学性能：(a) 离子束辐照材料示意图；(b) 辐照引起Kapton材料化学结构发生旧键断裂与新键形成，并产生电子给体基团-酰胺基的示意图；(c) 辐照前后材料的表面结构的透射电子显微镜(TEM)和能谱(EDS)图；(d) 对比表明，材料经适当离子辐照剂量后有效电荷传输密度显著提高。
图2. 剂量为1×1016 ions/cm2 的He离子辐照后的Kapton样品的电学特性：(a) 作为正极材料与常规的正极材料组合后的的电压Voc；(b) 峰值功率对电阻的依赖性；(c) 器件在不同电容时的充电电压曲线；(d) 与FEP材料组合后可以点亮十个LED灯；(e) 在60天内保持良好的稳定性。
此外，本次研究得到的超正起电材料由于其具有良好的柔性以及绝缘性，决定了它在TENG器件以及微纳发电机中具有广泛的应用前景。另一方面，本研究通过离子辐照诱导聚合物的自由基和化学键来提升接触带电的表面状态，改变分子的电子结合能从而改变其电学性能。这种官能团调控机理也为传统的离子辐照技术开辟了新的应用方向和领域。可以预期，未来会出现众多离子辐照调控的具有不同优异性能的高分子材料，服务于新能源以及其他有特种性能需求的领域中。
此工作得到了国家自然科学基金项目，国家基础研究计划，国家磁约束核聚变能研究专项，北京大学核物理与核技术国家重点实验室、北京大学核技术应用实验室的资助和支持。
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