利用液體和固體的相互作用，一滴水可以點亮100個LED燈。這其中就涉及到液體和固體界面的電荷轉(zhuǎn)移機理問題。傳統(tǒng)觀點認為液固接觸起電歸因于離子轉(zhuǎn)移，即液體中的離子吸附到固體表面形成雙電層從而產(chǎn)生電勢差，沒有考慮電子轉(zhuǎn)移的貢獻。最近，Lin等人利用開爾文探針力顯微鏡和電子熱激發(fā)理論從微觀角度證實了液固接觸起電過程中存在電子轉(zhuǎn)移[Nat. Commun. 2020, 11, 399]。?

近日，北京納米能源與系統(tǒng)研究所利用液滴-摩擦納米發(fā)電機（triboelectric nanogenerator, TENG）作“探針”，深入研究了水滴和聚合物接觸起電量的漸飽和過程，固體表面的電勢分布和變化規(guī)律，以及離子吸附對電荷轉(zhuǎn)移的影響等，從宏觀角度證明：液固接觸起電是電子轉(zhuǎn)移和離子轉(zhuǎn)移共同作用的結(jié)果，并由此提出了一個區(qū)別于雙電層模型的“王氏雜化層模型（Wang’s Hybrid Layer）”。?

圖1. 實驗裝置圖

因此，水和PTFE接觸起電很可能是以電子轉(zhuǎn)移為主導產(chǎn)生的；而一般的液固接觸起電現(xiàn)象很可能歸因于電子轉(zhuǎn)移和離子轉(zhuǎn)移的雙重貢獻。鑒于此，研究人員提出了一個不同于雙電層模型的液固界面電荷分布模型——王氏雜化模型。

該模型綜合考慮了電子轉(zhuǎn)移、離子化反應和范德華力的作用（圖5c）。例如：一種在摩擦序列表中傾向于帶負電的材料接觸到水溶液后，其部分位點會得電子并且吸引溶液中的陽離子吸附到其表面，還有部分位點會因范德華力的作用特異性吸附陰離子；如果固體材料在液體中有化學活性（比如SiO₂和水），還需要考慮固體表面形成的離子化基團。該王氏雜化模型可以應用到液基-TENG和生物醫(yī)學領(lǐng)域的相關(guān)研究工作中。?

綜上，研究人員聚焦水滴和聚合物膜的接觸起電現(xiàn)象，通過探究累積電荷量的漸飽和過程，固體表面電勢分布的演化過程，對比分析了固體表面存在的離子對液固接觸起電的影響，證明電子轉(zhuǎn)移主導了水-PTFE接觸起電，并結(jié)合液固接觸起電中電子和離子的共同作用，提出了描述液固界面電荷分布的王氏雜化模型。該工作不僅證明了TENG可以作為“探針”研究界面電荷轉(zhuǎn)移問題，還會對新型水電技術(shù)以及涉及到液固界面的諸多科學領(lǐng)域具有重要意義。?　　??

相關(guān)研究工作由北京納米能源與系統(tǒng)研究所團隊以“Electron Transfer as a Liquid Droplet Contacting a Polymer Surface”為題在線發(fā)表在ACS Nano上。?

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c08332??

文章來源：中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所