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科學研究

佟望舒:多孔薄膜的壓電-介電耦合研究【AM,2020】
2020-10-27 閱讀:121

在生物系統中,將低頻和微弱的機械能轉化為電能無時無刻地發生著,用于實現信號傳導或為其他功能單位提供電能,例如:神經細胞、骨組織,電信號尤其重要,這種耗能極小但又可以有效感知或傳遞能量的方式十分高效,激發了類似能量轉換材料的開發和研究。其相關的壓電-介電耦合能量轉換,在人造材料和器件中也經常發生,但對其發電特性和機理缺少系統研究。

針對以上問題,我校材料學院資源綜合利用與環境能源新材料創新團隊張以河教授(通訊作者)、安琪教授(通訊作者)以及佟望舒副教授(第一兼通訊作者),通過柔性薄膜中的壓電-介電耦合效應,提升了材料發電電壓和電能,同時在力撤去后延長了開路電壓的保持時間,實現了能量的有效轉化和電能原位短時間保存的性能。提出壓電-介電耦合模型,在簡易模型中量化發電電壓和電能,并通過實驗結合仿真模擬驗證模型,系統研究壓電-介電耦合這一現象,有助于進一步理解相關生物現象,以及激發相關能量轉換材料和器件的開發。取得了以下主要創新性認識:

(1) 在壓電聚合物中添加導電填料,低于滲濾閾值的填料含量能夠有效地將低頻機械能轉換為電能并暫時保存(圖1),當填料含量增加(始終低于滲透閾值),在相同極化時間下,由于極化程度增加,薄膜材料產生更高的電壓,但電壓保持時間降低。

(2) 當在導電填料/壓電聚合物中引入多孔結構,由于受力前后形變量較大,得到更高的發電電壓和更久的保持時間(圖2),形變帶來的厚度變化倍數是決定電壓增大倍數的關鍵因素之一,同時孔結構阻斷導電通路,降低了極化電荷恢復速度,提升了電壓保持時間(圖3)。

該壓電-介電耦合的能量轉換在很多復合材料和自然系統中存在,該模型的建立希望有助于理解生物體系中已有的類似現象,同時激發新材料的設計和優化,以適應各種機械類型以及不同頻率力的刺激和作用,實現高效的電能轉化。同時團隊利用壓電-介電耦合薄膜或壓電-感應電荷耦合,已將其應用在傳感、藥物釋放、活性分子控釋、表面拉曼增強、光催化增強以及發光等領域(Angew. Chem., Int. Ed. 2017, 56, 2649., Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 7029., Nano Energy 2018, 53, 513., Small 2018, 14, 1802136., Nanoscale 2019, 11, 14372., Nanoscale 2018, 10, 5489.),如圖4所示。

1. 復合薄膜的壓電-介電耦合示意圖以及低于和高于滲流閾值時的開路電壓隨時間變化關系圖


2. 多孔膜形貌及不同填料含量的多孔膜開路電壓


圖3. 多孔薄膜形變過程中,當偶極子長度改變時,壓電-介電耦合過程的示意圖


4. 壓電-介電耦合薄膜及壓電-感應電荷耦合的應用


上述成果近期發表在材料領域頂級期刊《Advanced Materials》上: Tong, W. S.*, An, Q.*, Wang, Z. H., Li, Y. N., Tong, Q. W., Li, H. T., Zhang, Y., Zhang, Y. H.*, 2020. Enhanced electricity generation and tunable preservation in porous polymeric materials via coupled piezoelectric and dielectric processes. Advanced Materials, doi:10.1002/adma202003087. [IF=27.40]

全文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202003087


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