摘要：海洋作为一个巨大的生态系统，其内部包含大量污染物，会造成海洋环境的破坏，阻碍海洋事业的发展。目前，基于电催化原理的污染物降解是实现海洋污染物治理的最有效的处理方式之一。然而，电催化法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，难以实现
1、研究背景：
海洋作为一个巨大的生态系统，其内部包含大量污染物，会造成海洋环境的破坏，阻碍海洋事业的发展。目前，基于电催化原理的污染物降解是实现海洋污染物治理的最有效的处理方式之一。然而，电催化法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，难以实现系统、高效、低成本低能耗的海洋污染物处理。
由于其可再生和环保属性，海洋能源被视为一种亟待发展的新能源。近年来，利用摩擦纳米发电机（TENGs）收集海洋能量、将其转化为供给小型设备的电能并实现原位海洋环境治理已成为一项研究热点。然而TENG收集能源发电的过程会受到外界高湿、高盐和生物污垢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搭建一套稳定长效的自供电体系非常有必要。在海洋环境中水波能、风能和太阳能等清洁能源随处可见，通过TENG 将清洁能源收集并转化为电能以驱动自供电防污系统的运行，是一种便捷、低成本、能源利用率高且环境友好的策略。
2、文章概述：
基于此，中国海洋大学陈守刚教授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。在掺杂2 wt%MOF-303后，TENG的电荷密度达到了361.43 µC/m²，功率密度高达33.55 W/m2。此外，位于深层的MOF-303可以用作电荷陷阱，以降低电荷耗散率。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，并通过组装自驱动污水处理系统，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TENG的能量收集、长期服役和高效自驱动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、山东省重大创新工程项目和中央高校基本科研业务费专项资金的资助。相关成果以“Regulating Contact Electrification and Charge Retention Capability With Metal–Organic Frameworks in Triboelectric Nanogenerator for Self-Powered Sewage Treatment”为题发表在《Advanced Functional Materials》上，中国海洋大学博士研究生孙霄为论文第一作者，中国海洋大学陈守刚教授为论文通讯作者。
3、图文导读：
MOFs中金属离子、配体和官能团的多样化对其物理化学和摩擦电荷特性有重大影响，这直接影响其接触起电（CE）能力。
图1. PVA/Ta/MOFs基TENG的摩擦电输出性能测试
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。
图2. 从电子和原子尺度上解释不同PVA/MOFs的CE能力差异
基于TENG组装自供电污水处理系统，·OH和·O2-的产生使自驱动污水处理系统能够在20分钟内实现高杀菌率（99.99%）和高效有机污染物降解率（>95%）。
图3. 风驱动式PTM-TENG用于收集海洋风能并进行高效自驱动防污应用
4、结论：
本研究制备的PVA/Ta/MOF-303摩擦电材料具有高CE性能、高电荷保持率和良好的耐恶劣海洋环境性能。由于MOF-303的引入，PTM-TENG的电荷密度从29.34 µC/m²增加到265.05 µC/m³。吡唑环中N原子上的孤对电子参与离域π键的形成，增强了MOF-303的供电子能力和电子系统的稳定性。此外，-COO-基团是质子转移的活性潜在位点，影响了MOF-303中的电荷动力学。此外，减小的HOMO-LUMO能隙和增加的HOMO能级使PVA/Ta/MOF-303中的电子更容易转移。同时，MOF-303可以作为电荷陷阱，大大降低了电荷耗散率，使摩擦电层能够存储更多电荷。PTM-TENG表现出优异的防潮性能，在90%RH下的电荷密度达到361.43 µC/m²。氢键、静电相互作用以及-OH和Al之间的配位有助于获得优异的机械和抗溶胀性能，弹性模量为763.27 MPa，溶胀率仅为38.86%。最终，我们选用风驱动式PTM-TENG作为污水处理系统的动力源。PTM-TENG发出的高脉冲电信号导致CuO电极表面大量产生·OH和·O2-。因此，PTM-TENG在处理20分钟内实现了高杀菌率（99.99%）和高效有机污染物降解（>95%）。这项工作提出了一种基于TENG的海洋微纳能源收集与自驱动防污应用的新方法。
研究团队介绍:
团队名称：中国海洋大学海洋装备材料及防护技术团队
团队负责人：陈守刚教授（sgchen@ouc.edu.cn)
陈守刚教授
团队简介：中国海洋大学材料科学与工程学院陈守刚教授课题组主要从事海工装备材料及其防护技术研发，围绕海洋耐蚀材料与涂层防护、生物污损与抗菌材料、智能自修复防护涂层、材料多尺度仿真模拟、极端环境微生物腐蚀评价、环境净化电催化纳米材料、海洋微纳能源与自驱动防污等方面开展基础和应用基础研究。近五年课题组先后主持国家自然科学基金重点/面上/青年项目、省部级课题等20余项，在Angewandte Chemie International Edition, Advanced Functional Materials, Nano Energy, Applied Catalysis B: Environmental, Corrosion Science, Nano Today, Chemical Engineering Journal等杂志发表SCI论文200余篇。
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来源：恩诺说科学
