面向高性能摩擦納米發電機的 PVDF/聚合物界面極性驅動與材料依賴的電荷轉移機理

題目：Mechanisms of Polarity-Driven and Material-Dependent Charge Transfer at PVDF/Polymer Interfaces for High-Performance Triboelectric Nanogenerators

作者：Zhe Yang, Ning Wu, Muqi Chen, Zeyang Yu, Jianming Liu, Juanli Zhao, Tao Jiang, Yaokun Pang, Zhihua Xiong, Morten Willatzen, Jianjun Luo, Zhong Lin Wang

DOI:10.1002/cnl2.70152

鏈接：https://doi.org/10.1002/cnl2.70152

第一作者：楊哲，吳寧，陳慕琦

通訊作者：吳寧，Morten Willatzen，駱健俊

單位：中國科學院北京納米能源與系統研究所

研究背景

在“雙碳”目標和分布式能源需求的推動下，如何高效收集環境中的微小能量成為研究熱點。太陽能、熱電、濕度發電等多種技術不斷發展，其中，基于接觸起電與靜電感應效應的摩擦納米發電機（TENG）因其材料選擇廣泛、結構靈活、成本低且適應環境能力強，展現出在自供能電子、可穿戴設備及海洋藍色能源等領域的巨大應用潛力。然而，TENG 的性能仍受到界面電荷密度低且不穩定的限制，而界面電荷轉移正是決定其輸出電壓、電流及功率密度的核心因素。盡管通過增加接觸面積、引入官能團或極性材料等方法可以一定程度提升性能，但其微觀電荷轉移機制仍缺乏清晰認識。

在眾多調控策略中，引入具有極化特性的材料被證明尤為有效。其中，β相聚偏二氟乙烯（β-PVDF）由于其顯著的鐵電極化，在提升界面電荷密度和摩擦電輸出方面表現突出。然而，與非極性的α相相比，β相為何能夠顯著增強摩擦電性能，其本質機制仍未被深入揭示。同時，傳統基于“摩擦電序列”的材料選擇方法更多依賴經驗，難以從微觀層面解釋不同材料界面間的電荷轉移行為。因此，系統揭示鐵電極化調控下的界面電荷轉移機制，對于理解并優化TENG性能具有重要意義。

成果介紹

中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士團隊通過第一性原理計算與實驗相結合的方法，系統研究了鐵電聚合物β相PVDF在摩擦界面中的電荷轉移機理，揭示了材料極性與化學組成對界面電荷轉移行為的調控及影響規律。結果表明，具有顯著鐵電極化的β相PVDF在界面處能夠產生內建電場，從而顯著增強電荷轉移能力，而非極性的α相PVDF則表現出較弱的電荷轉移效應。進一步研究發現，界面電荷主要來源于聚合物的官能團，其轉移強度呈現出明確的材料依賴關系：β-PVDF/Nylon ＞ β-PVDF/PDMS ＞ β-PVDF/PVC ＞ β-PVDF/PE ＞ β-PVDF/PTFE ＞ β-PVDF/FEP，對應電子從低功函數材料向高功函數β-PVDF轉移。實驗結果與理論計算結果一致，證實基于β相PVDF的摩擦納米發電機具有更高的電學輸出性能。本研究從微觀層面揭示了鐵電極化驅動的界面電荷重分布機制，突破了傳統摩擦電序列的經驗性認識，為高性能、可調控摩擦納米發電機的材料設計提供了重要理論依據。相關成果以“Mechanisms of Polarity‐Driven and Material‐Dependent Charge Transfer at PVDF Polymer Interfaces”為題發表在高水平期刊 Carbon Neutralization 上。

本文亮點

1、從微觀層面闡明β相PVDF通過其內建電場可顯著增強界面電荷轉移，并通過實驗驗證β相PVDF可顯著提升TENG的輸出性能，為極性材料可增強TENG的輸出性能提供了理論指導。

2、系統給出了不同聚合物體系的電荷轉移規律，且理論計算與實驗規律高度一致，為TENG的材料選擇提供了可預測的理論依據，并從微觀機理層面突破了傳統“摩擦電序列”的經驗性局限。

本文要點

要點一

極性增強電荷轉移

圖1：β相與α相PVDF分別與六種典型聚合物（Nylon、PDMS、PVC、PE、PTFE和FEP）構建的界面模型。

圖1展示了β相與α相PVDF分別與六種典型聚合物（Nylon、PDMS、PVC、PE、PTFE和FEP）構建的界面模型，用于對比分析極化對界面電荷轉移行為的調控作用。

圖2：β相與α相PVDF分別與Nylon和FEP界面的差分電荷密度、平均靜電勢以及態密度。

圖2對比展示了β相與α相PVDF分別與典型聚合物界面的電荷轉移行為，并結合靜電勢與態密度分析揭示鐵電極化及內建電場對界面電荷轉移的調控作用。其中，選取Nylon與FEP作為代表體系，分別對應β-PVDF體系中電荷轉移最強與最弱的界面情況。

要點二

聚合物依賴的電荷轉移

圖3：β相PVDF與六種典型聚合物界面的差分電荷密度與對應態密度。

圖3展示了β相PVDF與不同聚合物界面的局域電荷密度分布及相關態密度，系統分析了界面電荷轉移過程中具體原子與官能團的影響機理，揭示了主導電荷轉移的關鍵原子與官能團及其對電荷轉移行為的調控作用。

要點三

電荷轉移的調控機理

圖4：β相PVDF與六種典型聚合物的能帶結構。

圖4給出了β相PVDF與六種典型聚合物界面的能帶結構，用于揭示鐵電極化與不同聚合物對體系電子結構的調控及影響規律。

圖5：PVDF與不同聚合物的能級對齊關系及β相PVDF界面電荷轉移與聚合物功函數之間的線性關系。

圖5通過對比不同聚合物的功函數與β相PVDF界面電荷轉移行為，揭示了功函數差異對電子轉移方向與強度的主導作用。

要點四

實驗驗證

圖6：摩擦納米發電機的結構與工作原理，并從實驗上對比了α相與β相PVDF與不同聚合的輸出性能。

圖6從實驗上系統對比了不同PVDF/聚合物摩擦電體系的輸出性能（電壓、電流及轉移電荷）。實驗結果表明，β相PVDF可顯著增強界面電荷轉移并提升器件輸出性能，同時其輸出大小規律與理論計算結果一致。

本文小結

本研究結合第一性原理計算與實驗研究，系統揭示了鐵電極化與聚合物種類對PVDF/聚合物界面電荷轉移行為的調控規律。結果表明，β相PVDF由于其內建電場的存在，可顯著增強界面電荷轉移能力，而非極性的α相PVDF則表現出明顯較弱的電荷轉移行為，并對應較低的摩擦電輸出性能。在β-PVDF與不同聚合物構成的體系中，界面電荷轉移呈現出材料依賴的大小規律：β-PVDF/Nylon ＞ β-PVDF/PDMS ＞ β-PVDF/PVC ＞ β-PVDF/PE ＞ β-PVDF/PTFE ＞ β-PVDF/FEP，且轉移電荷主要集中在聚合物的官能團附近。同時發現，界面電荷轉移量與聚合物功函數之間呈線性關系，且低功函數材料更易向PVDF發生電子轉移。實驗證實了理論計算結果，進一步驗證了β相PVDF在提升TENG輸出性能方面的優勢，并從實驗上支持了材料依賴的電荷轉移規律。本研究從微觀層面闡明了鐵電極化調控界面電荷轉移的微觀機理，為高性能摩擦納米發電機的材料設計與優化提供了重要原子和電子層面的理論依據。

作者介紹

通訊作者

吳 寧

中國科學院北京納米能源與系統研究所助理研究員。主要從事摩擦納米發電機、摩擦學及材料表界面物理等方面的研究。研究體系涵蓋多種材料，包括極性半導體、鈣鈦礦、石墨烯以及聚合物等，并持續以開放的視角探索新型材料體系及其物性規律。在Nature Communications、Advanced Functional Materials、Friction等期刊上發表論文20篇。

通訊作者

Morten Willatzen

中國科學院北京納米能源與系統研究所資深研究員。主要從事納米材料聲學、光學及電學等物理性質的建模與模擬研究，重點聚焦壓電半導體材料的電子學性質及其在壓電電子學中的應用。研究內容涵蓋壓電電子學理論與器件的模擬與設計，并拓展至聲學性質調控、多功能光電耦合器件及新型壓電感應與執行器件等方向。

通訊作者

駱健俊

中國科學院北京納米能源與系統研究所副研究員。主要從事微納能源器件與自驅動系統的研究。近年來以第一作者或通訊作者在Nature Food、Nature Communications、Science Advances、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Materials Science and Engineering: R: Reports、ACS Nano等期刊上發表論文20余篇，論文總引用7000余次，H因子43，連續三年入選Elsevier全球前2%頂尖科學家榜單（2023-2025）。

期刊介紹

發 展 歷 程

2022年7月17日

期刊首刊發布儀式

2023年3月10日

期刊編委會在中國國際鈉離子電池前沿技術與產業發展論壇期間舉辦

2023年3月11日

高級編委聘任儀式在中國國際鈉離子電池前沿技術與產業發展論壇上舉行

2023年5月

被國際知名學術期刊數據庫DOAJ收錄

2024年3月10日

助力第二屆中國國際鈉離子電池前沿技術與產業發展論壇

2024年4月16日

被ESCI數據庫收錄

2024年9月20日

助力2024納米材料與器件創新發展大會

2024年11月16日

助力2024世界青年科學家峰會新能源技術論壇

2025年6月18日

獲得首個影響因子=12

2025年7月18日

被EI數據庫收錄

2025年8月16日

被Scopus數據庫收錄

2025年8月21日

助力2025全省特種電池材料與技術重點實驗室正式啟動

2025年11月26日

2026年3月24日

入選新銳分區（原中科院分區）

Carbon Neutralization（《碳中和研究》期刊）是溫州大學與Wiley共同出版的國際性跨學科開放獲取期刊，立志成為綜合性旗艦期刊。期刊于2022年創刊，名譽主編由澳大利亞新南威爾士大學Rose Amal院士擔任，主編由溫州大學校長趙敏教授和溫州大學碳中和技術創新研究院院長侴術雷教授擔任，編委會由來自11個國家和地區的28名國際知名專家學者組成，其中編委會19位編委入選2025年度全球“高被引科學家”。且期刊已被ESCI、Scopus、EI、CAS、DOAJ數據庫收錄，入選為中國科技期刊卓越行動計劃二期高起點新刊、新銳分區，并于2025年獲得首個影響因子12。

Carbon Neutralization（《碳中和研究》期刊）重點關注碳利用、碳減排、清潔能源相關的基礎研究及實際應用，旨在邀請各個領域的專家學者發表高質量、前瞻性的重要著作，為促進各領域科學家之間的合作提供一個獨特的平臺。

一審 |

駱健俊

二審 |

謝棉棉

三審 |

侴術雷

在線投稿

wiley.atyponrex.com/journal/CNL2

期刊編輯部

carbon-neutralization@wzu.edu.cn.

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