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Enhancement of output charge density of TENG in high humidity by water molecules induced self-polarization effect on dielectric polymers

材料科学 电介质 极化(电化学) 摩擦电效应 电荷密度 分子 相对湿度 聚合物 湿度 表面电荷 化学物理 光电子学 复合材料 化学 物理化学 有机化学 物理 热力学 量子力学
作者
Jian Wang,Huiyuan Wu,Shaoke Fu,Gui Li,Chuncai Shan,Wencong He,Chenguo Hu
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier BV]
卷期号:104: 107916-107916 被引量:60
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2022.107916
摘要

Although utilizing charge excitation is an effective strategy to achieve high charge density for triboelectric nanogenerators (TENGs), the conductive pathways formed by water molecules in a high-humidity environment cause inevitable output charge decay and limit practical applications of TENGs. Herein, a self-polarization effect-based charge-excitation TENG (SP-CE-TENG) is proposed with high surface charge density (SCD), and the charge self-increase phenomenon of dielectric materials with different strong polar groups is investigated. It is found that the unique strong polarization characteristics of water molecules further promote the self-polarization process of dielectric materials with the increase in humidity. As a result, an ultra-high SCD of 2.88 mC m -2 is obtained in the atmosphere with 40% relative humidity (RH) using 7 µm homemade poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene) film. Meanwhile, the effective SCD of the SP-CE-TENG maintains more than 1.92 mC m −2 even at 90% RH, which is the highest charge density for TENGs in a high humidity environment. This work presents a practical approach to boosting the output charge density of TENGs, which is helpful for in-depth exploration of the polarization behaviors of polar molecules in a high-humidity environment. High surface charge density on dielectric polymers is achieved by water molecules induced self-polarization effect in strong electric field. It is found that the formation of hydrogen bonds between the -OH group in water molecule and the electronegative group (-F, etc) in dielectric enhance self-polarization effect of polar dielectrics. • The self-polarization effect of polar materials with different strong polar groups and the enhancement mechanism of high humidity on self-polarization were systematically studied. • Hydrogen bonds' unique strong polarization characteristics further promote dielectric materials' self-polarization process with increased humidity. • The surface charge density of SP-CE-TENG always maintains more than 1.92 mC m −2 even at 90% RH, which is the highest charge density for TENGs in a high humidity environment.
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