近日，上海交通大学材料科学与工程学院郭益平教授课题组题为“Dielectric Modulated Glass Fiber Fabric-Based Single Electrode Triboelectric Nanogenerator for Efficiently Biomechanical Energy Harvesting”的研究成果在线发表于国际著名学术期刊Advanced Functional Materials。该研究工作提出了一种基于玻璃纤维布作为摩擦电材料，具有高介电常数的无机铁电薄膜来实施介电调控的新型单电极摩擦电纳米发电机，创新性地将电子级玻璃纤维布应用于摩擦电纳米发电机领域，并构建无机介电调控层显著提高摩擦表面电荷密度，显著提升了器件的输出性能。
摩擦电纳米发电机作为一种新兴的替代性能源技术而受到广泛的关注，它可以采集生物机械能、海浪能、风能，甚至是液滴能量转化为电能。与传统的对电极结构的摩擦电纳米发电机不同，单电极摩擦电纳米发电机具有多种能量收集模式，易于制造和集成的优点而被研究者所青睐。但是，较低的输出性能制约着单电极摩擦电纳米发电机用作生物机械能高效采集以及便携式的自供电电源的发展。
论文作者首次提出将电子级玻璃纤维布作为摩擦电材料，对其摩擦极性进行测定发现该材料具有较高的摩擦正极性，并给出了玻璃纤维织物的摩擦静电序。由于该纤维织物较高的摩擦正极性和独特的化学/机械/耐久性能，因此在柔性、可穿戴摩擦电纳米发电机领域表现出良好的应用前景。此外，通过采用具有高介电常数的铁电薄膜作为介电调控层，显著提升了摩擦层的电荷俘获能力，从而提高了摩擦表面电荷密度。优化后的器件可输出1640 V的开路电压和59.05 mA m-2的短路电流密度，最大瞬时功率可达11.30 mW。在手掌拍打器件的激励条件下即可点亮1350个发光二极管，或在421s内将47 μF电容器充电至10 V，并可在无额外控制电路的情况下驱动电子手表。这项工作可以为设计高性能的单电极摩擦电纳米发电机提供新的思路，对促进其在生物机械能采集和便携式自供电电源的应用方面具有指导意义。
本项研究由上海交通大学材料科学与工程学院郭益平教授指导，2019级直博生郑智鹏为本文第一作者。该项研究得到了上海市科委重点基础研究项目（No.20JC1415000），国家自然科学基金重点项目（52032012）和上海交通大学科技创新基金的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202102431