在生物系统中，将低频和微弱的机械能转化为电能无时无刻地发生着，用于实现信号传导或为其他功能单位提供电能，例如：神经细胞、骨组织，电信号尤其重要，这种耗能极小但又可以有效感知或传递能量的方式十分高效，激发了类似能量转换材料的开发和研究。其相关的压电-介电耦合能量转换，在人造材料和器件中也经常发生，但对其发电特性和机理缺少系统研究。

针对以上问题，我校材料学院“资源综合利用与环境能源新材料”创新团队张以河教授（通讯作者）、安琪教授（通讯作者）以及佟望舒副教授（第一兼通讯作者），通过柔性薄膜中的压电-介电耦合效应，提升了材料发电电压和电能，同时在力撤去后延长了开路电压的保持时间，实现了能量的有效转化和电能原位短时间保存的性能。提出压电-介电耦合模型，在简易模型中量化发电电压和电能，并通过实验结合仿真模拟验证模型，系统研究压电-介电耦合这一现象，有助于进一步理解相关生物现象，以及激发相关能量转换材料和器件的开发。取得了以下主要创新性认识：

(1) 在压电聚合物中添加导电填料，低于渗滤阈值的填料含量能够有效地将低频机械能转换为电能并暂时保存（图1），当填料含量增加（始终低于渗透阈值），在相同极化时间下，由于极化程度增加，薄膜材料产生更高的电压，但电压保持时间降低。

(2) 当在导电填料/压电聚合物中引入多孔结构，由于受力前后形变量较大，得到更高的发电电压和更久的保持时间（图2），形变带来的厚度变化倍数是决定电压增大倍数的关键因素之一，同时孔结构阻断导电通路，降低了极化电荷恢复速度，提升了电压保持时间（图3）。

该压电-介电耦合的能量转换在很多复合材料和自然系统中存在，该模型的建立希望有助于理解生物体系中已有的类似现象，同时激发新材料的设计和优化，以适应各种机械类型以及不同频率力的刺激和作用，实现高效的电能转化。同时团队利用压电-介电耦合薄膜或压电-感应电荷耦合，已将其应用在传感、药物释放、活性分子控释、表面拉曼增强、光催化增强以及发光等领域（Angew. Chem., Int. Ed. 2017, 56, 2649., Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 7029., Nano Energy 2018, 53, 513., Small 2018, 14, 1802136., Nanoscale 2019, 11, 14372., Nanoscale 2018, 10, 5489.），如图4所示。

图1. 复合薄膜的压电-介电耦合示意图以及低于和高于渗流阈值时的开路电压随时间变化关系图

图2. 多孔膜形貌及不同填料含量的多孔膜开路电压

图3. 多孔薄膜形变过程中，当偶极子长度改变时，压电-介电耦合过程的示意图

图4. 压电-介电耦合薄膜及压电-感应电荷耦合的应用

上述成果近期发表在材料领域顶级期刊《Advanced Materials》上： Tong, W. S.*, An, Q.*, Wang, Z. H., Li, Y. N., Tong, Q. W., Li, H. T., Zhang, Y., Zhang, Y. H.*, 2020. Enhanced electricity generation and tunable preservation in porous polymeric materials via coupled piezoelectric and dielectric processes. Advanced Materials, doi:10.1002/adma202003087. [IF=27.40]

全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202003087