利用液体和固体的相互作用，一滴水可以点亮100个LED灯。这其中就涉及到液体和固体界面的电荷转移机理问题。传统观点认为液固接触起电归因于离子转移，即液体中的离子吸附到固体表面形成双电层从而产生电势差，没有考虑电子转移的贡献。最近，Lin等人利用开尔文探针力显微镜和电子热激发理论从微观角度证实了液固接触起电过程中存在电子转移[Nat. Commun. 2020, 11, 399]。
近日，北京纳米能源与系统研究所利用液滴-摩擦纳米发电机（triboelectric nanogenerator, TENG）作“探针”，深入研究了水滴和聚合物接触起电量的渐饱和过程，固体表面的电势分布和变化规律，以及离子吸附对电荷转移的影响等，从宏观角度证明：液固接触起电是电子转移和离子转移共同作用的结果，并由此提出了一个区别于双电层模型的“王氏杂化层模型（Wang’s Hybrid Layer）”。
图1. 实验装置图
因此，水和PTFE接触起电很可能是以电子转移为主导产生的；而一般的液固接触起电现象很可能归因于电子转移和离子转移的双重贡献。鉴于此，研究人员提出了一个不同于双电层模型的液固界面电荷分布模型——王氏杂化模型。
该模型综合考虑了电子转移、离子化反应和范德华力的作用（图5c）。例如：一种在摩擦序列表中倾向于带负电的材料接触到水溶液后，其部分位点会得电子并且吸引溶液中的阳离子吸附到其表面，还有部分位点会因范德华力的作用特异性吸附阴离子；如果固体材料在液体中有化学活性（比如SiO2和水），还需要考虑固体表面形成的离子化基团。该王氏杂化模型可以应用到液基-TENG和生物医学领域的相关研究工作中。
综上，研究人员聚焦水滴和聚合物膜的接触起电现象，通过探究累积电荷量的渐饱和过程，固体表面电势分布的演化过程，对比分析了固体表面存在的离子对液固接触起电的影响，证明电子转移主导了水-PTFE接触起电，并结合液固接触起电中电子和离子的共同作用，提出了描述液固界面电荷分布的王氏杂化模型。该工作不仅证明了TENG可以作为“探针”研究界面电荷转移问题，还会对新型水电技术以及涉及到液固界面的诸多科学领域具有重要意义。
相关研究工作由北京纳米能源与系统研究所团队以“Electron Transfer as a Liquid Droplet Contacting a Polymer Surface”为题在线发表在ACS Nano上。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c08332
文章来源：中国科学院北京纳米能源与系统研究所
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