中国海洋大学陈守刚教授团队《Nano Energy》：摩擦电材料多尺度设计与自供电抗菌应用

1、研究背景：

由于其可再生和环保属性，海洋能源被视为一种亟待发展的新能源。近年来，利用摩擦纳米发电机（TENGs）收集海洋能量、将其转化为供给小型设备的电能并实现原位海洋环境治理已成为一项研究热点。然而，海洋高湿、高盐环境和生物污垢显著降低了摩擦电材料的稳定性和服役寿命；此外，摩擦电层的摩擦起电性能和介电性能也需要进一步提升以满足实际应用要求。以上因素极大限制了TENGs在蓝色能源收集方面的潜力，因此急需开发新型高性能摩擦电材料以实现恶劣海洋环境下的高效能源收集与应用。

2、文章概述：

基于此，中国海洋大学陈守刚教授研究团队基于介电掺杂和等离子体处理设计了一种多尺度修饰的PVDF基摩擦电材料，在恶劣的海洋环境中实现了高效能量收集和自供电杀菌应用。通过静电纺丝将Ag@C负载到PVDF纳米线中，无定形的C壳降低了Ag表面自由能并阻碍了Ag NPs之间电子转移路径的形成，这大幅提高了介电常数并抑制了介电损耗。此外，两步O₂+CF₄等离子体处理大大提高了摩擦电极的表面粗糙度和有效接触面积，并引入了大量的含F基团，显著提高了PVDF/Ag@C的电子亲和力和表面疏水性。因此，表面电荷密度从64.26 μC/m²显著增加至 216.60 μC/m²，表明其在能量收集领域的巨大潜力。基于实验与DFT计算分析了等离子体处理的可能机理。超疏水表面设计使PVDF/Ag@C表现出优异的防潮、耐盐和防污性能。此外，基于TENG的杀菌系统实现了98.74%（2000 mL/min）的杀菌率，显著高于普通交流电源（89.96%）。

这项工作为摩擦电材料的表面改性工程以及TENGs在恶劣环境中的能量收集和应用提供了新的方法。相关成果以“Multi-scale modified PVDF/Ag@C layer based on dielectric doping and plasma treatment for high-performance triboelectric nanogenerators and self-powered water sterilization”为题发表在《Nano Energy》上，中国海洋大学博士研究生孙霄为论文第一作者，中国海洋大学陈守刚教授为论文通讯作者。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285524002593

3、图文导读：

COMSOL有限元仿真和颗粒（Ag@C）-聚合物（PVDF）界面的DFT计算表明，非晶C壳层促进了纳米填料的均匀分布，抑制了Ag NPs之间电子传输路径的形成，这显著提高了材料的介电常数并抑制了介电损耗。

图1. PVDF/Ag@C薄膜的成分表征、内部电场仿真及DFT功函数计算

当等离子体辐照时长为4 min，辐照功率为75 W时，TENG的能量收集效率达到最大，开路电压、短路电流和表面电荷密度分别达到1034 V、41.22 μA、216.60 μC/m²。

图2. 不同等离子体处理时间和功率下TENG的摩擦电性能

等离子体处理使纳米线粗糙度增加，表面生成了类似于“草丛”的突起结构，大大增加了摩擦层之间的有效接触面积。

图3. 等离子体处理后PVDF/Ag@C的表面形貌与表面粗糙度变化

利用DFT计算深入分析了等离子体处理的反应机理，预测了化学表面改性过程的产物。O₂等离子体处理引入的含氧官能团很可能作为第二步含氟基团接枝的“桥梁”。

图4. 利用DFT计算预测了O2+CF4等离子体处理的可能机理

自供电水杀菌系统的有效细菌灭活是高压电穿孔和ROS生成的协同效应。与传统的交流电源相比，TENG的高脉冲电压增强了电穿孔效应，增加的 ROS的生成量，有助于提高杀菌率。

图5. 基于TENG的自供电水杀菌系统杀菌性能测试

4、结论：

综上所述，本文通过介电掺杂和等离子体处理，开发了一种多尺度改性的PVDF/Ag@C摩擦电材料，在苛刻海洋环境中实现了高效的能量收集和自供电抗菌应用。Ag@C显著提高了PVDF的介电常数并抑制了介电损耗。两步等离子体处理成功对材料的表面形貌和表面化学组分改性，使TENG的表面电荷密度从64.26 μC/m²显著增加至 216.60 μC/m²。应用DFT计算深入分析了反应机理，预测了化学表面改性过程中的产物。O₂等离子体处理引入的含氧官能团可能成为第二步接枝的“桥梁”，这有助于建立更令人信服的反应机制。超疏水的PVDF/Ag@C表面展现出优异的防潮、耐盐和抗生物粘附性能，非常适合在恶劣的海洋环境中收集能量。此外，基于TENG的水杀菌系统实现了98.74%（2000 mL/min）的杀菌率，显著高于普通交流电场（89.96%）。这项工作为摩擦电材料的多尺度改性设计提供了新思路，在海洋苛刻环境中的能量收集和应用方面展示出了良好的应用前景。

研究团队介绍:

团队名称：中国海洋大学海洋装备材料及防护技术团队

团队负责人：陈守刚教授（[e-mail])

中国海洋大学材料科学与工程学院陈守刚教授

团队简介：课题组主要从事海工装备材料及其防护技术研发，围绕海洋耐蚀材料与涂层防护、生物污损与抗菌材料、智能自修复防护涂层、材料多尺度仿真模拟、极端环境微生物腐蚀评价、环境净化电催化纳米材料等方面开展基础和应用基础研究。近五年课题组先后主持国家自然科学基金重点/面上/青年项目、省部级课题等20余项，在Angewandte Chemie International Edition, Nano Energy, Applied Catalysis B: Environmental, Corrosion Science, Nano Today, Chemical Engineering Journal等杂志发表SCI论文200余篇。

*感谢论文作者团队的大力支持。作者：孙霄。