近日，中国海洋大学材料科学与工程学院陈守刚教授团队在海洋装备自供电防污研究领域取得新进展，相关论文以“Regulating Contact Electrification and Charge Retention Capability with Metal-Organic Frameworks in Triboelectric Nanogenerator for Self-powered Sewage Treatment”为题发表在国际顶尖期刊《Advanced Functional Materials》上（IF：18.5）。材料科学与工程学院陈守刚教授为通讯作者，2021级博士研究生孙霄为第一作者。
海洋生物污损存在面积大、分布广、距离远、扩散性强等特点，损害生物资源，危害人类健康。当前，电催化防污技术虽已得到了广泛应用，但存在制造及应用成本较高、远洋电网线路搭建困难、电力能源消耗较大等缺点，亟需开发新型电化学杀菌防污系统以满足实际应用需求。作为一种新型的能量收集方式，摩擦纳米发电机（TENG）可以收集海洋环境中的波浪能、风能等清洁能源并将其转化为电能，可以给各种不同设备以及电化学过程供电以实现能源采集和应用。然而TENG易受到外界环境的严重影响而存在输出不稳定以及持久性不好的问题，因此通过材料和器件设计，克服海洋恶劣环境对服役寿命和电输出性能的不利影响，搭建一套稳定长效的自供电防污体系至关重要。
通过调控MOFs的配体化学优化PVA基摩擦电材料的接触起电性能
基于此，研究团队利用金属有机骨架（MOFs）调控聚乙烯醇（PVA）基摩擦电材料的接触起电和电荷保持能力，力求提高材料在海洋恶劣环境下的服役寿命和稳定性。通过改变MOFs的配体、官能团和中心金属离子，实现了接触起电能力的有效调节。其中，MOF-303中吡唑环的高供电子能力和-COO-基团引起的电荷转移的促进实现了接触起电能力的最大化，电荷密度达到了361.43 µC/m²，功率密度高达33.55 W/m2。计算分析发现位于深层的MOF-303可以用作电荷陷阱，以降低电荷耗散率，且MOF-303和PVA/Ta之间的氢键、配位键和静电相互作用使材料具有良好的机械性能、抗溶胀和抗老化性能，大大延长了其在海洋恶劣环境下的使用寿命。TENG用于模拟收集海洋风能，并通过组装自供电污水处理系统，在20分钟内实现了对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的高效灭活（杀菌率＞99.99%）和对直接大红4BS、直接绿等有机污染物的降解（降解率>95%）。该研究工作实现了摩擦电材料接触起电和电荷保持性能的显著提升，为实现海洋环境下摩擦纳米发电机的高效能量收集和自供电防污应用提供了一个有前景的解决方案。该工作得到了国家自然科学基金联合基金、山东省重大创新工程项目和西海岸校长转化基金重点项目等专项资金的资助。
此外团队近年来致力于海洋微纳能源收集与自供电杀菌防污领域的研究，并取得一系列进展（Nano Energy2024, 124, 109511; Mater. Today Nano2023, 24, 100410; J. Colloid Interface Sci.2024, 654, 1209-1219等）。
原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202422803
文/图：孙霄
