王中林教授關於摩擦納米發電機的最新綜述

你有沒有想過擁有一部永遠不用充電的手機？你有沒有想過通過說話就能點亮一束花朵？你有沒有想過植入人體的多功能微納元件可以永不斷電？……科學家王中林發明的摩擦納米發電機給我們帶來了未來生活空間的無限暢想！

近日，北京科技大學王寧（通訊作者）和美國佐治亞理工學院王中林（通訊作者）等人發表了一篇題為“摩擦納米發電機驅動的自供電電化學過程在能源與環境科學中的應用”的綜述，介紹了TENGs用於高效能量轉換和自供電的電化學系統方面的最新研究進展。這篇Review于7月29日在線發表于Advanced Energy Materials期刊上。下面讓我們來一睹為快吧！

王中林納米研究團隊自2012年發明摩擦納米發電機（TENG）以來，在有關TENG的基本機制和自驅動系統等方面取得了不少突破。TENG在微納能量收集上有許多優勢，可廣氾應用於傳感器、便攜設備等中。

在大牛王中林研究團隊的這篇最新Review中，作者主要綜述了TENGs在自供電電化學系統和高效能量轉換兩大方面的應用，包括水分解、海水淡化、空氣污染淨化、有機污染物降解、重金屬離子收集等。TENG驅動的自供電電化學系統可以不借助外部電源進行電化學反應，在環境科學領域有着廣闊的應用前景。文章還展望了該領域的發展趨勢和基本架構，並着重強調了TENGs驅動的自供電能量轉換系統在“藍色能源”中的應用。

摩擦納米發電機（TENGs）的應用綜述導覽圖

 

摩擦納米發電機的基本模式和理論（LINMOT直線電機應用E1100系統）

TENGs的原理基於摩擦起電和靜電感應的耦合。在摩擦和納米發電應用裝置中，採用來自瑞士的LINMOT管式直線電機（E1100線性馬達系統）固定一種材料，直線電機高頻往復運動在不同頻率下接觸或者摩擦另一種材料。通常，當兩種材料相互接觸時，界面的某些部位形成了化學鍵，電荷在界面之間轉移以平衡電化學勢，從而產生摩擦電荷。在外力驅動下，摩擦帶電的界面之間相互運動，導致TENGs中的電勢差呈週期性變化。在短路條件下，交變電流流經負載，以達到兩個電極之間的靜電平衡。

它有四種基本模式：a）垂直接觸-分離模式；b）橫向滑動模式；c）單電極模式；d）自支撐摩擦電層狀模式（如圖1所示）。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

圖1 摩擦電納米發電機的四種基本模式及相應器件

 

 摩擦納米發電機和自供電電化學系統的研究進展

自2012年以來，四種不同模式的TENGs和以此為基礎的自供電電化學系統得以發展。研究進展主要有以下幾個方面：第一，為利用不同的機械源（測試中採用來自瑞士的LINMOT管式直線電機系統E1100)和滿足不同的實際應用，設計了各種各樣的結構，包括彈簧支撐型、拱狀、鋸齒狀、光柵結構、多層結構等。第二，為收集各種能量來源，包括人體運動、發動機轉動、風能、水能等，設計了不同的自供電系統。第三，多種基於TENGs的應用被報道，尤其是自供電的傳感器，它主要可以分為兩類：物理傳感器和化學傳感器。

表1 自供電的電化學系統中摩擦納米發電機的材料和性能

注：表中Isc表示短路電流，Voc表示開路電壓。

圖2 近三年來TENGs和自供電的電化學系統的研究進展總結。圖中的平行四邊形是由兩箇中心對稱的直角三角形組成，它們分別代表了理論的發展是從底層到高處，以及應用逐漸擴展。中間部分是納米發電機的發展路線圖及其應用（2013–2022年）。

1.3 摩擦納米發電機的性能評價標準

儘管TENGs具有豐富的選擇材料、可擴展性、能量轉換效率高、高輸出等優點，但之前沒有一個統一的標準來評價基於多種模式多種結構的TENGs的性能。訾云龍博士等通過解析式計算和有限元模擬得出了TENGs的結構品質因數，提出將品質因數（figure-of-merit，FOM）作為TENGs的性能評價標準，這為從結構上和材料上評價摩擦納米發電機提供了標準方法。

圖3 TENGs性能評價的標準和品質因數（FOMs）。
a-d）垂直接觸-分離模式、橫向滑動模式、單電極接觸結構和滑動SFT結構的FOMs；e）與固體鎵或鎵銦錫合金接觸的不同材料所測量的絕對電荷密度。

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