王中林院士Nano Energy：電荷泵浦實現超高電荷密度摩擦納米發電機

【本文亮點】

（1）提出了一種浮置層結構，可以積累并束縛超高密度電荷，用于靜電感應

（2）設計了一種電荷泵，可以持續地向浮置層中泵送電荷

（3）在普通環境條件下，基于浮置層結構和電荷泵的電荷自泵浦TENG集成器件實現了1020μC/m²的超高有效表面電荷密度

（4）這項工作提出了一個簡單而普遍的策略，可以大幅提高TENG的電荷密度以及輸出

【引言】

摩擦納米發電機（triboelectric nanogenerator, TENG）的工作原理基于摩擦起電及靜電感應效應。表面電荷密度對于摩擦納米發電機的性能至關重要。一般而言，TENG的輸出功率與表面電荷密度呈二次方關系。在一定的接觸或摩擦強度下，電荷密度主要受限于兩個方面的因素：一是具有一定表面形貌的摩擦材料配對的摩擦起電能力，二是由氣隙擊穿引起的電荷損失。現有已提出了基于材料選擇、表面改性、結構優化或環境控制等多種方法以提高電荷密度，但是這些方法仍存在著很多方面的限制，在電荷穩定性上還存在問題，或在封裝等方面提出了較高的要求。

【成果簡介】

近日，在中國科學院北京納米能源與系統研究所所長、佐治亞理工學院校董教授王中林院士和張弛研究員（共同通迅作者）的帶領下，許亮博士和布天昭等人組成的研究團隊為提高TENG器件的電荷密度，設計了一種具有浮置層結構和電荷泵浦能力的電荷自泵浦摩擦納米發電機（self-charge-pumping triboelectric nanogenerator, SCP-TENG）器件。所設計的浮置層結構可以積累并束縛超高密度電荷，并產生靜電感應效應，電荷泵浦可以持續地向浮置層中泵送電荷，基于兩者的SCP-TENG器件在普通環境條件下，實現了1020μC/m²的超高有效表面電荷密度，達到了空氣擊穿電荷密度閾值的4倍左右，創造了新的電荷密度記錄。更為重要的是，這項工作提出了一個簡單而普遍的大幅提高TENG的電荷密度以及輸出的策略，使得表面電荷密度主要取決于絕緣層的介電強度，因此，在不久的將來仍具有進一步大幅提升的潛力。由于電荷密度的提升不再依賴于更強烈的摩擦，也解決了摩擦生熱及器件耐久性的問題。在電磁式發電機中，廣泛采用的電磁鐵通過電流激發磁場，與此相似，本工作提出采用注入束縛電荷來取代摩擦靜電荷而激發電場，這一思想將可能對TENG性能的提升產生重要影響。相關成果以“Ultrahigh Charge Density Realized by Charge Pumping at Ambient Conditions for Triboelectric Nanogenerators”為題發表在了Nano Energy上。

【圖文解析】

圖1 器件結構和工作原理

（a）電荷泵浦原理示意圖；

（b）帶有泵浦TENG的浮置層結構的工作過程；

（c）器件及負載之間能量傳輸的示意圖；

（d）電荷自泵浦TENG（SCP-TENG）集成器件的結構示意圖；

（e）制作的SCP-TENG器件的結構和材料的爆炸視圖；

（f）制作的SCP-TENG的照片；

（g）泵浦TENG的介電層表面上制備的納米結構的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。

圖2 浮置層結構的理論模型

（a）對應的常規TENG的結構示意；

（b）浮置層結構器件的結構示意和電容模型。

圖3 采用電壓源進行初始化的浮置層結構的電輸出特性

（a）在不同初始化電壓下的短路轉移電荷量，插圖為實驗電路；

（b）初始化電壓為250 V時的短路電流；

（c）不同電阻負載下的輸出電流、電壓和峰值功率；

（d）不同初始化電壓下的電荷輸出隨時間的衰減。

圖4 SCP-TENG的電學輸出特性

（a）不同尺寸泵浦TENG的短路轉移電荷量；

（b）處于接觸狀態下的浮置層在電荷泵浦下的電壓變化；

（c）帶有不同尺寸泵浦TENG的SCP-TENG的短路轉移電荷量的增強過程；

（d-f）SCP-TENG的典型短路電流、整流電壓和轉移電荷量；

（g）采用4×4cm²泵浦TENG的SCP-TENG的泵送電荷量及輸出轉移電荷量，插圖為放大圖和測量電路；

（h）本工作在普通環境條件下實現的超高電荷密度及與現有其它工作的比較。

圖5 SCP-TENG驅動應用負載的展示

（a）直接驅動600個LED燈；

（b）直接驅動LED大燈珠；

（c）用于給電容充電并驅動電子設備的電路示意圖；

（d）SCP-TENG對不同電容的充電性能；

（e，f）SCP-TENG驅動無線發射器的照片和充-放電曲線；

（g，h）SCP-TENG為風速計（g）和溫度計（h）供電的充放電曲線，插圖分別顯示了被驅動的風速計和溫度計。

【總結與展望】

本文提出了一種具有浮置層結構和電荷泵浦能力的SCP-TENG器件。通過浮置層結構積累并束縛超高密度電荷，采用電荷泵浦持續高效地向浮置層中泵送電荷，在普通環境條件下實現了1020μC/m²的超高有效表面電荷密度，創造了新的電荷密度記錄。更重要的是，與其他電荷密度增強方法相比，這種方法容易實現且十分穩定，使得表面電荷密度主要取決于絕緣層的介電強度，因此，在不久的將來仍具有進一步大幅提升的潛力，為提升TENG器件的電荷密度以及輸出性能提供了一個重要而普遍的策略。

【文獻鏈接】

Liang Xu^#, Tian Zhao Bu^#, Xiao Dan Yang, Chi Zhang^*, Zhong Lin Wang^*, Ultrahigh Charge Density Realized by Charge Pumping at Ambient Conditions for Triboelectric Nanogenerators, Nano Energy, 2018, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.05.011（https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285518303264）

【團隊介紹】

王中林院士：中國科學院外籍院士和歐洲科學院院士，佐治亞理工學院終身校董。佐治亞理工學院終身校董事講席教授，Hightower終身講席教授，工學院杰出講席教授和納米結構表征中心主任。首位中組部 “千人計劃”頂尖千人與團隊入選者，教育部長江學者講座教授。中國科學院北京納米能源與系統研究所首席科學家和首任所長。王中林院士的開創性工作榮獲了多項國際榮譽：美國顯微鏡學會 1999年巴頓獎章﹐2009年美國陶瓷學會Purdy獎，2011年美國材料學會獎章(MRS Medal)，2012年美國陶瓷學會Edward OrtonMemorial 獎，2013 ACS Nano 講座獎，2014年美國物理學會James C. McGroddy 新材料獎，2013中華人民共和國國際科學技術合作獎，2014年佐治亞理工學院杰出教授終身成就獎，2014年NANOSMAT獎，2014年材料領域世界技術獎。王院士是美國物理學會fellow, 美國科學發展協會(AAAS) fellow，美國材料學會 fellow，美國顯微學會fellow，美國陶瓷學會fellow，英國皇家化學學會fellow。2015年9月24日，湯森路透集團（THOMSONREUTERS）發布了2015年度引文桂冠獎（CitationLaureates）獲獎名單（諾貝爾獎風向標）。中國科學院北京納米能源與系統研究所首席科學家、佐治亞理工學院終身校董事講席教授王中林院士成為物理學領域獲獎人之一，也是此年度該獎項唯一的華人獲獎者。2017年8月23日至25日在瑞典斯德哥爾摩舉行的歐洲先進材料大會上，王中林院士又以在先進材料科學和技術領域所做出杰出的貢獻，而榮獲2016年度先進材料獎。

王中林院士是國際公認的納米科技領域領軍人物。在一維氧化物納米結構制備、表征及其在能源技術、電子技術、光電子技術以及生物技術等應用方面均作出了原創性重大貢獻。他發明了納米發電機，并提出了自充電納米結構系統，為微納電子系統的發展開辟了新途徑。他開創了納米結構壓電電子學和壓電光電子學研究的先河，對納米機器人、人-電界面、納米傳感器、醫學診斷及光伏技術的發展具有里程碑意義。已在國際一流刊物上發表超過1400篇期刊論文（其中，《科學》、《自然》、及其子刊40余篇），擁有200余項專利，7本專著和20余本編輯書籍和會議文集。他是Nano Energy 的發刊主編和現任主編。

許亮博士（第一作者）為中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士研究組成員，布天昭（共同一作）為中國科學院北京納米能源與系統研究所張弛研究組成員。

附：王中林院士個人成果網址：http://www.nanoscience.gatech.edu/group/Current%20Members/Group%20Leader/Zhong%20Lin%20Wang.php

王中林院士研究組主頁：http://www.binn.cas.cn/ktz/wzlyjz/yjzjjwzl/

本文由第一作者許亮投稿。

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