Contact Electrification at Dielectric Polymer Interfaces: On Bond Scission, Material Transfer, and Electron Transfer

接触带电 材料科学 化学物理 电子转移 聚合物 分子间力 摩擦电效应 轨道能级差 纳米技术 原子物理学 光化学 复合材料 化学 有机化学 分子 物理
作者
Osvalds Verners,Linards Lapčinskis,Peter C. Sherrell,Andris Šutka
出处
期刊:Advanced Materials Interfaces [Wiley]
卷期号:10 (36) 被引量:15
标识
DOI:10.1002/admi.202300562
摘要

Abstract Triboelectric nanogenerators (TENGs) are revolutionizing mechanical‐to‐electrical energy harvesting. TENGs harvest energy through the polymer–polymer contact electrification (PCE) mechanism, driven by nanoscale processes at the contact interface. Currently, when discussing PCE there are two distinct schools of thought on which nanoscale interactions drive charging at the contact interface; 1) electron transfer, where orbital overlap leads to charge tunneling between polymers; or 2) mass (material) transfer, where polymer chain entanglement and intermolecular bonding leads to heterolytic bond scission. Here, a combination of in silico and benchtop experiments is used to elucidate the relative role of electron and mass transfer in PCE. In silico experiments show that covalent bond scission in a polymethylmethacrylate/polytetrafluoroethylene system occurs at 348 kcal mol −1 , prior to electron cloud overlap, where the highest occupied molecular orbital and lowest unoccupied molecular orbital of the system remain separated by 163 kcal mol −1 . Benchtop experiments show PCE‐generated charges cannot be simply discharged via electrical grounding, indicating the formation of bound surface charge from mass transfer. The calculations and contact‐electrification tests provide strong evidence to support mass transfer being the leading mechanism driving PCE.
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