（通讯员 陈涛）近日，3044永利集团集团先进材料与纳米科技公司顾陇副教授等人在氟化聚合物摩擦电性能调控机制研究中取得重要突破。研究团队将密度泛函理论计算与实验验证有机结合，首次系统揭示了氟化聚合物中C-F与C-Cl键协同增强摩擦电性能的微观机制，颠覆了"氟含量越高性能越强"的传统认知，为基于摩擦电原理的微能源器件设计提供了全新的材料设计思路。相关成果发表于国际知名期刊Nature Communications。
解码微观机制：C-Cl键重塑LUMO能级
传统研究普遍认为氟含量是决定氟化聚合物摩擦电性能的首要因素，"氟越多性能越强"长期被视为该领域的设计金律。然而，这一认知在本研究中被彻底改写。研究团队采用密度泛函理论计算，系统比较了PVDF及其五种共聚物（PT、PH、PC、PT-CFE、PT-CTFE）的分子轨道能级与静电势分布。计算结果表明：含三氟氯乙烯单元的PVDF-CTFE（PC）具有最低的LUMO能级，其电子亲和能力显著优于其他共聚物。进一步的电荷分解分析揭示，这一现象源于C-Cl键中碳与氯的pz轨道形成的σ*反键轨道，有效降低了体系的未占据轨道能量。为验证理论预测，团队利用扫描开尔文探针显微镜对六种聚合物的表面电势进行了原位测量。实验结果显示，PC表现出最低的表面电势，证实其具有最强的得电子能力，与理论计算高度吻合。这一发现首次从分子轨道层面揭示了C-Cl键在增强氟化聚合物摩擦电性能中的关键作用，打破了"氟含量主导性能"的传统认知，将材料设计的视角从简单的元素组成调控，转向化学键类型与电子结构的协同优化，为开发超越传统氟化聚合物体系的新一代高性能摩擦电材料提供了全新的理论框架。
图1 PVDF及其多种共聚物（PT、PH、PC、PT-CFE、PT-CTFE）的电负性差异。
协同增强机制：C-F键保电荷，C-Cl键促捕获
为揭示C-F与C-Cl键对摩擦电性能的差异化贡献，研究团队通过氯等离子体处理构建了系列具有不同Cl/F原子比例的PC表面模型。XPS表征显示，随着处理时间延长，C-Cl键信号持续增强，表面Cl/F比可从0.6调至2.4。系统的电学测试结果呈现出非单调变化规律：随着Cl/F比升高，材料的得电子能力不断增强，但电荷保持能力却逐渐下降。这一现象表明，C-Cl键是电荷捕获的"加速器"，而C-F键则是电荷损耗的"刹车片"。当Cl/F比过低时，电荷捕获不足；比值过高时，电荷衰减过快。只有当Cl/F≈1.8时，捕获与保持方可达到动态平衡，电荷损耗最小化。在这一最优比例下，PC-Cl的摩擦电荷密度达到310 μC/cm²，显著优于其他PVDF基共聚物。该研究首次从化学键层面阐明了氟化聚合物摩擦电性能的协同增强机制，为突破传统"高氟含量"设计范式提供了新的理论依据和实验路径。
从材料到系统：智能鞋垫赋能人机交互
基于优化后的PC-Cl纳米纤维膜，研究团队成功构建了兼具高输出性能与优异透气性的摩擦纳米发电机，并将其集成于智能鞋垫系统中。该鞋垫可将人体行走、跳跃、奔跑等日常活动的生物机械能转化为电信号，实现自驱动的运动感知。进一步结合一维卷积神经网络、随机森林等人工智能模型，该系统实现了对不同使用者步态特征的高精度识别：个体识别准确率达99.2%，运动状态（走/跳/跑）分类准确率达100%。这一成果不仅验证了PC-Cl材料在可穿戴能源与传感一体化领域的适用性，也为智能可穿戴设备、个性化健康监测、运动分析及仿生机器人等领域提供了新的技术方案。
图2 人工智能辅助人员身份识别与活动模式识别系统
普适性方法：为其他材料提供借鉴
该机制的普适性在聚乙烯等非氟化聚合物上得到了验证。研究发现，通过氟/氯复合等离子体处理引入适宜比例的C-F/C-Cl键，同样能显著提升材料的摩擦电输出性能。这一成果不仅拓展了协同增强策略的适用范围，也为新一代高性能摩擦电材料的设计指明了方向。
《Nature Communications》是Nature出版集团旗下的综合类开放获取期刊，涵盖生命科学、物理、化学、材料、工程及交叉科学领域，致力于发表具有创新性、重要科学意义及广泛影响力的突破性研究成果，是国际公认的高水平学术期刊之一。此项工作由3044永利集团集团独立完成，3044永利集团集团为论文的唯一通讯单位。3044永利集团集团刘金妹讲师为论文第一作者，王巍巍副教授、杨如森教授和顾陇副教授为论文共同通讯作者。
该研究得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金及3044永利集团集团交叉专项资助等项目的支持。
顾陇副教授简介：
顾陇现任3044永利集团集团的副教授。2017年入职西电以来，长期从事纳米能源技术及面向生命健康需求的柔性诊疗一体化电子器件研究，在该领域取得了一系列创新性研究成果。目前承担国家基金委青年/面上项目及其它省部级项目十余项，相关成果发表于Nature Communications、Science Advances等国际知名期刊共计50余篇，总引用3700余次，H因子33。关于自驱动系统的研究成果获甘肃省自然科学奖一等奖。指导研究生团队参加全国互联网+大赛，荣获全国大赛银奖、陕西省赛区金奖，个人获评校级"优秀创业导师"称号。
论文信息：
Liu, J., Zhang, F., Xu, J. et al. Unveiling the synergistic mechanism of C-F and C-Cl bonds in enhancing the triboelectric performance of fluorinated polymers. Nat. Commun. 17, 3698 (2026).
https://doi.org/10.1038/s41467-026-71546-1
