科技日報訊 （記者頡滿斌）11月8日，記者從中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所獲悉，該所王道愛研究員團隊設(shè)計了一種基于氫鍵增強的復(fù)合聚乙烯醇（PVA）基摩擦起電功能材料（以下簡稱PVA材料）。該材料可應(yīng)用于醫(yī)用口罩領(lǐng)域，同時還為惡劣海洋環(huán)境下摩擦起電材料耐濕設(shè)計和自供電環(huán)境治理提供了新的思路。相關(guān)成果發(fā)表在《先進功能材料》和《今日材料納米》。
界面的摩擦起電性質(zhì)與其所處環(huán)境密切相關(guān)，通常高濕度的大氣會加速摩擦起電過程中靜電荷的傳輸和耗散，大大限制了摩擦納米發(fā)電機等器件在能源收集與自供電傳感檢測等領(lǐng)域的應(yīng)用。
另外，環(huán)境濕度對界面摩擦電荷的產(chǎn)生、傳輸和靜電積累的影響機制尚不清晰。“如何通過材料選擇與設(shè)計，實現(xiàn)高濕環(huán)境下器件的高性能輸出與穩(wěn)定運行，是迫切需要解決的問題。”王道愛介紹。
團隊將PVA材料用于醫(yī)用口罩，解決了傳統(tǒng)聚丙烯（PP）基醫(yī)用口罩在長時間佩戴過程中存在的口罩中間吸附層電荷耗散過快的問題。PVA基中間吸附層材料富含的羥基官能團，能與人體呼出的水蒸氣分子自發(fā)形成氫鍵固定水分子，實現(xiàn)高濕度下摩擦起電能力的增強。同時，PVA材料優(yōu)異的電荷儲存性能，可大大減緩電荷的耗散速率，并可通過拍打、摩擦等簡單易行的方式延長口罩靜電吸附病毒的時間，進而延長其使用壽命。
“盡管PVA材料可作為一種性能優(yōu)異的耐濕型摩擦起電正極材料，但其較差的介電、耐磨損性能不利于其作為摩擦起電材料長期使用。”王道愛說，基于此，該團隊與中國海洋大學(xué)陳守剛教授團隊合作，將PVA材料與MXene材料（一種常見的二維材料）復(fù)合改性，設(shè)計了一種面向海洋濕熱苛刻環(huán)境的PVA-PVDF基摩擦電器件。
得益于MXene表面的親水性基團和其在PVA基質(zhì)中的平行層狀分布，PVA材料的耐濕性、耐磨性和介電性能得以提高。另外，該團隊通過進一步設(shè)計制備了聚丙烯腈/聚乙烯醇—氯化鈣復(fù)合薄膜，進一步提高了PVA材料的耐濕性和力學(xué)性能，拓展了復(fù)合PVA材料的應(yīng)用潛力。
