近日，我院李炳祥教授团队与材料科学与工程qy千亿体育登录平台谢燕楠教授团队开展科研合作，在摩擦纳米发电机领域取得了新的进展。相关成果以“High-Power-Density Triboelectric Nanogenerator Driven by Ferroelectric Fluid”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。我院李炳祥教授与材料科学与工程qy千亿体育登录平台谢燕楠教授为共同通讯作者，2025级博士生叶家耀与Susanta Chakraborty博士为共同第一作者。此外，汤星舟教授、Karthick Subramani博士、硕士生丁洋、陈佳浩以及材料科学与工程qy千亿体育登录平台博士生兰涛亦对该工作作出了重要贡献。
摩擦纳米发电机可将环境中的机械能高效转化为电能，具有结构简单、材料选择多样和输出功率高等优势，在自供能清洁能源系统中具有广阔的应用前景。然而，传统介电材料普遍存在电荷密度低、电荷捕获能力差等问题，严重制约了摩擦纳米发电机的实际输出性能。尽管研究者已尝试多种材料工程策略，如引入高介电纳米填料或构筑微纳结构，但性能提升效果仍十分有限。针对这一挑战，研究团队创新性地将一种具有大自发极化、高介电常数和强分子偶极矩的铁电向列相液晶作为功能填料引入聚偏氟乙烯（PVDF）基质中，成功开发出高性能铁电-聚合物复合摩擦电薄膜。这一研究为高性能软物质基能源器件的发展开辟了新路径。
研究团队将一种典型的铁电向列相液晶材料和 PVDF 均匀混合，采用溶液浇铸法制备出系列复合薄膜，并构建了垂直接触-分离模式的摩擦纳米发电器件。该方法巧妙地利用铁电向列相液晶分子与 PVDF 链段间的强偶极-偶极相互作用，在无需机械拉伸或电极化处理的条件下即可有效诱导 PVDF 发生 α→β 相变，显著提升电活性相含量。研究团队系统调控铁电向列相液晶掺杂浓度，发现掺杂浓度为5 wt.%的复合薄膜展现出最优性能，可实现约 1.1 kV 的开路电压、 50 μA的短路电流、0.18 mC/m?的转移电荷密度以及110 W/m?的峰值功率密度（图1）。
图1 掺杂流体铁电材料的高功率密度摩擦纳米发电机
结构和介电分析进一步揭示了性能提升的物理起源：总结晶度与电活性晶相含量显著增加；复合薄膜中形成了更深、密度更高的陷阱态，有效束缚载流子、抑制泄漏；剩余极化强度增至纯PVDF的约3倍，漏电流密度降低近19倍。上述分子级铁电耦合与电荷捕获的协同作用，共同实现了自稳定的高性能摩擦电响应。
随后，研究团队围绕该器件展开应用探索，发现其具有卓越的电学性能，无需复杂的电源管理电路，即可直接驱动500余颗串联的白光及蓝光LED（图2 a,b）。团队进一步拓展其应用场景，设计了基于3D打印锥形声管的低频声能收集装置，成功将10–32 Hz的环境声波转化为电能，最大输出电流达38 μA，可点亮300余颗LED（图2 c,d）。
图2 器件应用演示
该工作创新性地将分子尺度的铁电有序与宏观尺度的摩擦发电性能建立起内在关联，不仅为高性能摩擦纳米发电机的材料设计提供了新的分子工程思路，也为推动铁电液晶在柔性自供电电子器件、可穿戴健康监测及智能物联网等领域的实际应用开辟了新方向。本研究的开展得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金以及江苏省农业科技自主创新资金项目的支持。
论文信息：
High-Power-Density Triboelectric Nanogenerator Driven by Ferroelectric Fluid
Jia-Yao Ye?, Susanta Chakraborty?, Yang Ding, Jia-Hao Chen, Tao Lan, Karthick Subramani, Xing-Zhou Tang, Yannan Xie*, Bing-Xiang Li*
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.76348
（撰稿：汤星舟 编辑：徐伟 审核：谌静）
