界面的摩擦起電性質(zhì)與所處環(huán)境相關(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，限制了摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）等器件在能源收集與自供電傳感檢測等領(lǐng)域的應(yīng)用。此外，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(jī)制尚不清晰。如何通過材料選擇與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高濕環(huán)境下器件的高性能輸出與穩(wěn)定運(yùn)行是亟需解決的問題。

　　中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤滑國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員王道愛團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種基于氫鍵增強(qiáng)的聚乙烯醇（PVA）基TENG，并應(yīng)用于醫(yī)用口罩領(lǐng)域（圖1），解決了傳統(tǒng)聚丙烯（PP）基醫(yī)用口罩長時(shí)間佩戴過程中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(tuán)，可與呼出的水蒸氣分子自發(fā)形成氫鍵固定水分子，實(shí)現(xiàn)高濕度下摩擦起電能力的增強(qiáng)。同時(shí)，PVA材料優(yōu)異的電荷儲存性能可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實(shí)現(xiàn)口罩自充電，延長有效使用壽命。

　　盡管PVA材料可作為性能優(yōu)異的耐濕型摩擦電正極材料，但較差的介電、耐磨損性能限制了PVA材料作為摩擦電材料的長期使用?；诖?，該團(tuán)隊(duì)與中國海洋大學(xué)教授陳守剛團(tuán)隊(duì)合作，通過PVA與MXene材料的復(fù)合改性，設(shè)計(jì)了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(tuán)及其在PVA基質(zhì)中的平行層狀分布，提高了PVA的耐濕性、耐磨性和介電性能，在海洋防污性能方面展現(xiàn)出優(yōu)異的性能（圖2）。該工作為惡劣海洋環(huán)境下摩擦電材料耐濕設(shè)計(jì)和自供電環(huán)境治理提供了新的思路。相關(guān)研究成果發(fā)表在《今日納米材料》（Materials Today Nano）上。

　　純PVA材料的吸水速度慢、抗膨脹性差的特性，限制了PVA基TENG在高濕環(huán)境下的機(jī)械穩(wěn)定性和滲透性能?？蒲袌F(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制備出聚丙烯腈/聚乙烯醇-氯化鈣（PAN/PVA-CaCl2）復(fù)合薄膜（圖3），提高了PVA在高濕度下的吸水和抗膨脹性能、機(jī)械力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能。此外，使用該材料組裝的TENG器件應(yīng)用于海水淡化，能耗為0.19 kWh m-3，低于傳統(tǒng)直流電源供電的海水淡化，有望為利用風(fēng)能、波浪能等藍(lán)色能源原位實(shí)現(xiàn)海水淡化提供可行且有效的方法。

　　相關(guān)研究成果以Humidity-Resistant Triboelectric Nanogenerator Based on a Swelling-Resistant and Antiwear PAN/PVA-CaCl2 Composite Film for Seawater Desalination為題，發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)和甘肅省科技重大專項(xiàng)等的支持。

圖1. PVA基耐濕、自充電口罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與微觀形貌

圖2. MXene-PVA復(fù)合薄膜材料的制備及在海洋防污領(lǐng)域的應(yīng)用

圖3. 耐溶脹抗磨PAN/PVA-CaCl2復(fù)合膜基耐濕TENG用于海水淡化