采用阳离子巯基自组装单层高功函数电极表面功能化,实现高功率密度和长期稳定的柔性摩擦电纳米发电机

ty10086 提交于 周三, 08/25/2021 - 16:03
文章英文标题
Achieving High Power Density and Long‐Term Stable Flexible Triboelectric Nanogenerators through Surface Functionalization of High Work‐Function Electrode with Cationic Thiol‐Based Self‐Assembled Monolayer
正文
本研究采用阳离子( 11 -巯基十一烷基) -N,N,N-三甲基溴化铵( MUTAB )自组装单层膜( SAM )作为高功函数( WF ) Ag电极表面修饰层,以提高摩擦电纳米发电机( TENG )的性能和稳定性。MUTAB的硫醇头基可与Ag表面形成共价键,而带正电荷的铵基可诱导良好的表面偶极矩降低Ag层的WF,使Ag电极向聚二甲基硅氧烷( PDMS )介质层的电荷转移。该策略与基于溶液处理的Ag纳米颗粒层的大面积柔性TENG高度兼容,其开路电压( Voc )为1008 V,短路电流( Isc )为124.9 µ A,功率密度为39.4 W m-2。利用柔性TENG的高输出特性,可以实现328个发光二极管的瞬时点亮。更令人鼓舞的是,由此产生的TENG也具有良好的稳定性,经过30万次的连续测试,保持了原来Voc的约96 %。本研究结果突出了SAM表面改性对高效、长期稳定的TENG的重要性,可促进智能自发电系统的发展。
文章内容(英文)
In this study, a reliable strategy is demonstrated to improve performance and stability of a triboelectric nanogenerator (TENG) by using cationic (11‐mercaptoundecyl)‐N,N,N‐trimethylammonium bromide (MUTAB) self‐assembled monolayer (SAM) as the surface modification layer for high work‐function (WF) Ag electrode. The thiol head group of MUTAB can form covalent bond to Ag surface, while the positively charged ammonium group can induce favorable surface dipole moment to lower the WF of Ag layer, enabling efficient charge transfer from Ag electrode to polydimethylsiloxane (PDMS) dielectric layer. This strategy is highly compatible with large‐area flexible TENG based on solution‐processed Ag nanoparticle layer, affording open‐circuit voltage (Voc) of 1008 V, short‐circuit current (Isc) of 124.9 µA, and power density of 39.4 W m−2. To the best of our knowledge, such remarkable power density represents the highest value ever reported for SAM‐modified TENG. Taking advantage of high output characteristics of flexible TENG, 328 light‐emitting diodes can be lit up instantaneously. More encouragingly, the resulting TENG also possesses good stability, maintaining ≈96% of its original Voc after 300 000 cycles of continuous testing. The present findings highlight the importance of surface modification with SAM for efficient and long‐term stable TENG, which can advance the development of intelligent self‐powered systems.
来源出处
Journal|[J]Advanced Materials TechnologiesVolume 6, Issue 3. 2021.
DOI
https://doi.org/10.1002/ADMT.202000985

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