王中林教授关于摩擦纳米发电机的最新综述

你有没有想过拥有一部永远不用充电的手机？你有没有想过通过说话就能点亮一束花朵？你有没有想过植入人体的多功能微纳元件可以永不断电？……科学家王中林发明的摩擦纳米发电机给我们带来了未来生活空间的无限畅想！

近日，北京科技大学王宁（通讯作者）和美国佐治亚理工学院王中林（通讯作者）等人发表了一篇题为“摩擦纳米发电机驱动的自供电电化学过程在能源与环境科学中的应用”的综述，介绍了TENGs用于高效能量转换和自供电的电化学系统方面的最新研究进展。这篇Review于7月29日在线发表于Advanced Energy Materials期刊上。下面让我们来一睹为快吧！

王中林纳米研究团队自2012年发明摩擦纳米发电机（TENG）以来，在有关TENG的基本机制和自驱动系统等方面取得了不少突破。TENG在微纳能量收集上有许多优势，可广泛应用于传感器、便携设备等中。

在大牛王中林研究团队的这篇最新Review中，作者主要综述了TENGs在自供电电化学系统和高效能量转换两大方面的应用，包括水分解、海水淡化、空气污染净化、有机污染物降解、重金属离子收集等。TENG驱动的自供电电化学系统可以不借助外部电源进行电化学反应，在环境科学领域有着广阔的应用前景。文章还展望了该领域的发展趋势和基本架构，并着重强调了TENGs驱动的自供电能量转换系统在“蓝色能源”中的应用。

摩擦纳米发电机（TENGs）的应用综述导览图

 

摩擦纳米发电机的基本模式和理论（LINMOT直线电机应用E1100系统）

TENGs的原理基于摩擦起电和静电感应的耦合。在摩擦和纳米发电应用装置中，采用来自瑞士的LINMOT管式直线电机（E1100线性马达系统）固定一种材料，直线电机高频往复运动在不同频率下接触或者摩擦另一种材料。通常，当两种材料相互接触时，界面的某些部位形成了化学键，电荷在界面之间转移以平衡电化学势，从而产生摩擦电荷。在外力驱动下，摩擦带电的界面之间相互运动，导致TENGs中的电势差呈周期性变化。在短路条件下，交变电流流经负载，以达到两个电极之间的静电平衡。

它有四种基本模式：a）垂直接触-分离模式；b）横向滑动模式；c）单电极模式；d）自支撑摩擦电层状模式（如图1所示）。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图1 摩擦电纳米发电机的四种基本模式及相应器件

 

 摩擦纳米发电机和自供电电化学系统的研究进展

自2012年以来，四种不同模式的TENGs和以此为基础的自供电电化学系统得以发展。研究进展主要有以下几个方面：第一，为利用不同的机械源（测试中采用来自瑞士的LINMOT管式直线电机系统E1100)和满足不同的实际应用，设计了各种各样的结构，包括弹簧支撑型、拱状、锯齿状、光栅结构、多层结构等。第二，为收集各种能量来源，包括人体运动、发动机转动、风能、水能等，设计了不同的自供电系统。第三，多种基于TENGs的应用被报道，尤其是自供电的传感器，它主要可以分为两类：物理传感器和化学传感器。

表1 自供电的电化学系统中摩擦纳米发电机的材料和性能

注：表中Isc表示短路电流，Voc表示开路电压。

图2 近三年来TENGs和自供电的电化学系统的研究进展总结。图中的平行四边形是由两个中心对称的直角三角形组成，它们分别代表了理论的发展是从底层到高处，以及应用逐渐扩展。中间部分是纳米发电机的发展路线图及其应用（2013–2022年）。

1.3 摩擦纳米发电机的性能评价标准

尽管TENGs具有丰富的选择材料、可扩展性、能量转换效率高、高输出等优点，但之前没有一个统一的标准来评价基于多种模式多种结构的TENGs的性能。訾云龙博士等通过解析式计算和有限元模拟得出了TENGs的结构品质因数，提出将品质因数（figure-of-merit，FOM）作为TENGs的性能评价标准，这为从结构上和材料上评价摩擦纳米发电机提供了标准方法。

图3 TENGs性能评价的标准和品质因数（FOMs）。
a-d）垂直接触-分离模式、横向滑动模式、单电极接触结构和滑动SFT结构的FOMs；e）与固体镓或镓铟锡合金接触的不同材料所测量的绝对电荷密度。

纳米发电机用线性马达产品说明书（P01-37X120-C_C1100_2012）

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