王中林Adv. Mater.：油-水-固相多相界面摩擦納米發電機

?【引言】

本文報道了一種基于聚四氟乙烯（PTFE）、銅電極和玻璃基底的液-固接觸摩擦納米發電機（TENG），并研究了其在“油/水”多相體系的信號輸出。該TENG在“油/水”體系中可以產生兩個獨特的信號，一個源于液體（水或油）與TENG的PTFE膜之間的接觸起電和靜電感應（V_TENG和I_TENG）；另一個源于銅電極對“油/水”界面電荷的靜電感應（ΔV_interface和I_interface），其僅在TENG穿過“油/水”界面時產生。當在TENG的PTFE和玻璃表面修飾聚多巴胺層時，這兩個信號顯示出有趣的相反變化趨勢，即V_TENG和I_TENG信號降低，而“油/水”界面信號ΔV_interface和I_interface增加。I_TENG和I_interface的值與多巴胺濃度的自然對數有良好的線性關系，展示了該TENG在自驅動多巴胺雙信號檢測的應用前景。

【成果簡介】

近日，美國佐治亞理工與中科院北京納米能源與系統研究所的王中林院士課題組在Adv. Mater. 期刊上發表了題為“Signal Output of Triboelectric Nanogenerator at Oil–Water–Solid Multiphase Interfaces and its Application for Dual-Signal Chemical Sensing”研究論文。在該工作中，作者用聚四氟乙烯（PTFE）薄膜，銅電極和玻璃基底制作了單電極液-固接觸TENG，以研究TENG在油-水-固相多相體系中的信號輸出。他們的研究結果顯示，當液-固接觸TENG插入“油/水”多相時可以產生兩個獨特的信號，一個源于液體和PTFE膜之間的接觸起電和靜電感應，另一個源于銅電極對“油/水”界面電荷的靜電感應。這兩個獨特的信號為生物化學傳感提供了優異的雙信號平臺，可用于多巴胺（DA）檢測。相比于單信號傳感，雙信號檢測體系可以提高檢測的準確性，減少復雜的樣本中可能出現的假陽性或假陰性結果。姜鵬博士和研究生張磊為本文的共同第一作者，通訊作者是王中林院士。

【圖文導讀】

圖一、

（a，b）液-固TENG及其發電過程示意圖。（c-f）液-固TENG在水（c，d）和石蠟油（e，f）單相體系中的開路電壓（V_oc）和短路電流（I_sc）。（c-f）的插圖：單循環電輸出放大圖及水和石蠟油在PTFE上的接觸角圖片。

圖二、

（a，b）TENG在“石蠟油/水”多相體系中的開路電壓（V_oc）和短路電流（I_sc）。（c，d）V_oc和I_sc的單循環放大視圖。（e）“油/水”界面電荷的示意圖。（f）界面信號產生過程示意圖。（g，h）TENG在“石蠟油/水”體系中的V_oc和I_sc，水溶液分別為HCl溶液（0.1 M）、去離子水、NaOH（0.1 M）以及NaOH和NaCl的混合溶液（0.1 M）。

?圖三、

（a）多巴胺在TENG表面聚合示意圖。（b）聚多巴胺修飾的PTFE和玻璃的SEM圖像。（c,d）TENG表面修飾聚多巴胺層前后其在“油/水”體系的開路電壓（V_oc）和短路電流（I_sc）對比。（e）等離子體處理的TENG在“油/水”體系中初始幾個循環的短路電流（I_sc）。（e）中的插圖：等離子體處理前后玻璃表面的水接觸角圖像對比。

圖四、

（a）用濃度為0-500μM的多巴胺改性后，玻璃和PTFE表面上的水的接觸角圖像。（b）用濃度為0-500μM的多巴胺改性后，液-固TENG在“油/水”體系中的短路電流。（c, d）I_interface和I_TENG與多巴胺濃度的關系圖。（c, d）的插圖：I_interface和I_TENG與ln(C)的線性關系圖，其中C是多巴胺的濃度。

?【總結與展望】

作者報道了一種液-固接觸TENG，并研究了其在“油/水”多相體系的信號輸出。當液-固接觸TENG插入“油/水”體系時，會產生兩種不同的信號：一種源于液體和PTFE膜之間的接觸起電和靜電感應，另一種源于銅電極對“油/水”界面電荷的靜電感應。基于這兩個獨特的信號，成功發展了一種自驅動多巴胺雙信號傳感體系：通過多巴胺自聚合在TENG表面修飾聚多巴胺層之后，V_TENG和I_TENG信號降低，而ΔV_interface和I_interface信號增加，且I_TENG和I_interface的值與多巴胺濃度的自然對數具有較好的線性關系。目前，這是首個基于TENG的雙信號化學傳感體系。作者相信這一概念將有助于發展可靠的雙信號生物化學傳感器。

文章鏈接：Signal Output of Triboelectric Nanogenerator at Oil–Water–Solid Multiphase Interfaces and its Application for Dual-Signal Chemical Sensing。 ?(Adv. Mater., DOI: 10.1002/adma.201902793)

本文由踏浪供稿。