Thermally Stable Cellulose-Based Triboelectric Nanogenerators with Ultrahigh Charge Density Enabled by Deep Traps and Multiple Noncovalent Interactions

摩擦电效应 材料科学 纳米技术 非共价相互作用 电荷(物理) 纤维素 密度泛函理论 化学物理 光电子学 化学 分子 计算化学 物理 氢键 复合材料 有机化学 量子力学
作者
Feijie Wang,Yueming Hu,Chao Jia,Suyang Wang,Hao Wang,Yichi Liu,Shiqiang Ouyang,Shenzhuo Zhang,Shufeng Ma,Zhen Wu,Liqiang Wang
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:25 (14): 5582-5590 被引量:12
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.4c05643
摘要

Stable high-output for triboelectric nanogenerators (TENGs) in extreme environments is challenged by high charge dissipation rates and friction layer degradation at high temperatures. This study introduces a triboelectric material design that ensures stable high-output at high temperatures through a synergistic approach of multilayer noncovalent bonding and increased surface deep trap density. By grafting sulfonic acid groups onto cellulose and incorporating self-assembled molecules with large energy gaps, we significantly enhance the dielectric’s charge storage capacity and reduce charge dissipation by 82%. The modified cellulose exhibits a notable increase in deep trap density and improved mechanical properties through enhanced high-enthalpy states from noncovalent interactions. As a result, TENGs achieve an ultrahigh surface charge density of 152 μC/m 2 at 250 °C. This strategy presents a simple method for constructing TENGs with stabilized electrical output in high-temperature settings, facilitating their use as self-powered sensors in extreme conditions.
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