通过二维α-MoO3中的电荷传输调制实现柔性电增强光伏效应

《Nano Energy》：Flexoelectric Enhanced Photovoltaic by Charge Transport Modulation in 2D α-MoO 3

本研究提出基于纳米多孔硅单晶的入侵-挤出三电纳米发电机（IE-TENGs），利用非润湿液体（水及聚乙烯亚胺溶液）实现机械能高效转化为电能。通过实验和分子动力学模拟发现，纳米多孔结构显著提升能量密度和转换效率，其中聚乙烯亚胺溶液使效率达9%。压缩速率与液体介电常数是关键优化因素，接枝缺陷通过改变固-液界面电荷分布增强电输出。该成果为可穿戴电子和自供电传感系统提供新方案。

　　在当今能源需求不断上升的背景下，科学家们正在积极寻找能够将环境中的机械能转化为电能的创新技术。接触起电纳米发电机（Triboelectric Nanogenerators, TENGs）作为一种新兴的机械能转换装置，已经展现出巨大的潜力。然而，尽管TENGs在瞬时功率、电流和电压方面取得了显著进展，其生成的能量却很少被系统地研究和评估。这一研究领域中，能量的输出和转换效率是决定其实际应用价值的关键因素。本文通过引入一种新型的“入侵-排出”接触起电纳米发电机（Intrusion–Extrusion Triboelectric Nanogenerator, IE-TENGs），探索了基于纳米多孔硅单体和非润湿液体（如水和1毫克/毫升聚乙烯亚胺溶液）的材料在能量生成、转换效率及现象机制方面的表现。与传统的粉末型IE-TENGs相比，纳米多孔硅单体结构不仅实现了更高效且可重复的能量收集，还显著提升了瞬时功率密度和每周期产生的能量。这表明，使用单体结构作为IE-TENGs的材料具有重要的工程意义。

在IE-TENGs中，纳米多孔硅单体以其独特的结构特性，为能量转换提供了新的可能性。这种材料的表面面积可以达到数百到数千平方米每克，从而显著增强了接触起电过程中电荷的转移效率。通过实验与理论分析的结合，研究团队发现纳米多孔硅单体的孔径和多孔层厚度是影响其接触起电性能的两个关键参数。实验结果表明，更大的孔径和更厚的多孔层能够有效提高电荷的生成与存储能力，进而提升整体的能量输出。此外，研究还揭示了压缩速率对IE-TENGs性能的影响。随着压缩速率的增加，电荷转移速度加快，导致电功率输出的显著提升。同时，液体的性质对电荷转移效率也有重要影响，特别是在选择具有较高介电常数的液体时，如聚乙烯亚胺（PEI）溶液，能够实现高达9%的能量转换效率，这在接触起电领域是一个重要的突破。

为了更深入地理解IE-TENGs的运行机制，研究团队采用了计算模拟和理论分析相结合的方法。通过经典分子动力学（MD）模拟和第一性原理计算，研究人员能够追踪电荷转移路径并揭示纳米多孔硅单体表面缺陷在电荷生成过程中的关键作用。在实验条件下，硅单体的表面缺陷会随着液体的入侵和排出而发生动态变化，这种变化不仅影响了电荷的分布，还对电荷的稳定性和转移效率产生了深远影响。特别是在模拟过程中，研究人员发现，当液体与硅单体表面接触时，表面缺陷会引发局部电荷积累，而在液体排出时，这些缺陷会重新组合，导致电荷的释放。这一动态过程使得IE-TENGs能够在机械能量转换过程中实现更高的电荷转移效率。

此外，研究还指出，液体的介电常数和化学性质在电荷转移过程中起着重要作用。例如，PEI溶液的介电常数远高于水，这使得其在接触起电过程中能够更有效地储存和释放电荷。与此同时，PEI分子中的氨基（–NH?）基团因其强供电子特性，能够促进电荷在固-液界面的转移。这种分子结构不仅提高了电荷的生成效率，还通过电荷稳定作用增强了IE-TENGs的整体性能。因此，液体的选择在优化接触起电性能方面具有重要意义，尤其是在提升能量转换效率和延长电荷保持时间方面。

从实验和模拟结果来看，纳米多孔硅单体的使用不仅提高了IE-TENGs的能量输出，还为未来的高性能接触起电系统提供了新的方向。相比传统的粉末型IE-TENGs，纳米多孔硅单体的结构优势使其能够实现更高效的电荷收集和更长的电荷保持时间。这为开发适用于可穿戴电子设备、环境能量收集以及自供电传感系统的新型IE-TENGs奠定了基础。同时，研究还强调了压缩速率对电荷转移效率的影响，表明在特定条件下，提高压缩速率能够显著提升电功率输出，而选择合适的液体则有助于优化能量转换效率。

这项研究不仅揭示了纳米多孔硅单体在IE-TENGs中的应用潜力，还为未来的研究指明了方向。为了进一步提升IE-TENGs的性能，研究人员建议通过优化多孔结构和表面修饰来增强电荷转移效率。同时，液体的选择和其在固-液界面的行为也需要深入研究，以探索更高效的能量转换路径。此外，通过实验和理论的结合，研究团队能够更全面地理解接触起电过程中的电荷转移机制，从而为实际应用提供理论支持。

总之，这项研究通过实验与模拟的结合，揭示了纳米多孔硅单体在IE-TENGs中的重要作用。其独特的结构和化学特性使得纳米多孔硅单体成为一种极具潜力的接触起电材料，为未来开发高性能、可持续的机械能转换装置提供了新的思路和方法。通过进一步优化多孔结构和液体选择，IE-TENGs有望在可穿戴电子、环境能量收集和自供电传感系统中发挥更大的作用，为实现绿色能源技术提供了新的解决方案。