香港理工郝建華AFM: 基于微等離子體放電摩擦納米發電機驅動的自供電式機械固氮

【背景介紹】

眾所周知，氮是生命必不可少的組成部分。但是大氣中存在的氮氣由于活化能較高故不能被直接吸收利用。因此，將空氣中的氮氣轉化為具有生物利用價值的氮化合物具有十分重要的意義。由于目前常用的氮化反應路線需要連續和巨大的能量輸入，從而進一步加劇了能源的短缺。而且, 常用的反應路線同時存在著儀器制作復雜、成本高、攜帶不便等問題。最近，摩擦納米發電機（TENG）作為一種將機械能轉化為電能的新技術被廣泛關注。因為TENG具有器件結構簡單、易于制備、材料選擇范圍廣等優勢。此外，TENG的固有高電壓和低電流輸出特征適合于在大氣環境下誘導微等離子體放電，有利于克服傳統基于電弧固氮能源供應中的缺陷。所以將TENG作為高電壓源以驅動基于微等離子體放電形式的固氮是一種可行且有吸引力的策略。然而，目前很少報道TENG直接驅動大氣微等離子體放電進行固氮應用。同時當前的TENG要作為穩定的高壓電源通常需要較苛刻的操作條件。因此，開發具有操作簡便和結構簡單的高壓TENG，以滿足進一步的廣泛應用有其必要性和重要性。

【成果簡介】

近日，香港理工大學的郝建華教授（通訊作者）團隊報道了他們通過集成高壓輸出的TENG和放電反應器，構建了基于TENG驅動微等離子體放電的固氮系統。論文第一作者為黃文聰博士生。在沒有輔助條件下，新型TENG能夠產生大約1300 V的高電壓，進而在大氣環境下的反應器中引起微等離子體放電，將氮氣轉化為二氧化氮和硝酸。基于TENG驅動的微等離子體放電固氮系統可以作為原位氮肥供應源。總之，該研究提供了一種具有環境友好、操作靈活、安全性好、有前景的節能型大氣固氮新策略。

【圖文解讀】

圖一、TENG-微等離子體放電系統示意圖
（a-b）TENG-微等離子體放電系統的示意圖和照片；

（c）TENG和微等離子體放電反應器的照片；

（d）TENG-微等離子體固氮系統的工作原理示意圖。

圖二、高電壓TENG的電性能
（a-b）TENG產生開路電壓和短路電流；

（c）外部負載電阻對TENG的瞬時峰值電流和峰值功率的影響；

（d）TENG的開路電壓隨所用聚氨酯泡沫摩擦材料的孔徑的改變；

（e）在不同摩擦層尺寸下的TENG的開路電壓

（f）在7 Hz下連續工作45000周循環后，TENG的開路電壓。

圖三、TENG驅動的微等離子體放電表征
（a）由TENG驅動在針電極之間的微等離子體放電的照片；

（b）在TENG操作循環期間，針電極之間隙距離為0.2 mm時,針電極之間的電壓和電流變化；

（c）微等離子體放電過程的Lissajous圖，針電極之間隙距離為0.2 mm；

（d）在TENG操作循環期間，針電極之間隙距離為0.6 mm時,針電極之間的電壓和電流的變化；

（e）微等離子體放電過程的Lissajous圖，針電極之間隙距離為0.6 mm；

（f）針電極之間不同間隙距離下的放電電壓和放電電流；

（g）每個微等離子體放電的釋放能量和每個TENG操作循環在不同間隙距離下的平均放電能量。

圖四、TENG驅動的固氮表征
（a）TENG-微等離子體氮氣系統中,從N₂和O₂轉化為NO₂和硝酸的示意圖；

（b）TENG驅動的微等離子體放電的發射光譜；

（c）在不同采樣距離下，檢測到的NO₂濃度；

（d）EDKORS ADKS-1氣體檢測器測量NO₂濃度的示意圖；

（e）微等離子體以不同的間隙距離放電產生的NO₂濃度；

（f）放電反應器中制備的硝酸溶液的拉曼光譜；

（g）在TENG-微等離子體氮氣系統的不同操作時間檢測到的硝酸溶液中的硝酸鹽濃度。

圖五、TENG-微等離子體放電型的自供電機械固氮示意圖

（a-b）作為原位氮肥料供應源的TENG-微等離子體固氮系統的示意圖和照片；

（c）人行走驅動下TENG產生的開路電壓；

（d）制備的NaNO₃溶液的FTIR光譜；

（e）在有無添加NaNO₃的情況下，綠豆樣品之間的生長速率比較。

【總結】

綜上所述，作者將高電壓輸出TENG和微等離子體放電反應器相結合，制備了一種基于TENG驅動的微等離子體放電固氮系統。TENG可以在外界機械力刺激而不需要任何其他輔助條件下，輸出約1300 V的穩定高壓，并直接施加于放電反應器中的針狀電極之間引發在大氣環境下的微等離子體放電。作者系統地研究了間隙距離對放電過程的影響，包括放電電壓、放電電流和TENG每次運行周期平均放電能量。結果表明通過利用TENG收集應力以驅動的微等離子體放電，可以成功地將空氣中的氮氣轉化為二氧化氮、硝酸溶液等氮化合物。總之，該研究為開發一種節能、環保、靈活、安全的固氮線路提供了新思路。

文獻鏈接：Man-Chung Wong, Wei Xu, and Jianhua Hao, Microplasma-Discharge-Based Nitrogen Fixation Driven by Triboelectric Nanogenerator toward Self-Powered Mechano-Nitrogenous Fertilizer Supplier（Adv. Funct. Mater., 2019, DOI:10.1002/adfm.201904090）

香港理工大學應用物理學系郝建華教授的課題組 (http://ap.polyu.edu.hk/apjhhao/) 在該領域工作匯總:

(1) Wei Xu, Man-Chung Wong, and Jianhua Hao*, "Strategies and progress on improving robustness and reliability of triboelectric nanogenerators", Nano Energy, 55, 203 (2019)

(2) Wei Xu, Man-Chung Wong, Qiongyu Guo, Tiezheng Jia, and Jianhua Hao*, "Healable and shape-memory dual functional polymers for reliable and multipurpose mechanical energy harvesting devices", J. Mater. Chem. A, 7, 16267 (2019).

(3) Wei Xu, Long-Biao Huang, and Jianhua Hao*, "Fully self-healing and shape-tailorable triboelectric nanogenerators based on healable polymer and magnetic-assisted electrode", Nano Energy, 40, 399 (2017).

(4) Long-Biao Huang, Wei Xu, and Jianhua Hao*, "Energy device applications of synthesized 1D polymer nanomaterials", Small, 13, 1701820 (2017).

(5) Wei Xu, Long-Biao Huang, Man-Chung Wong, Li Chen, Gongxun Bai, and Jianhua Hao*, “Environmentally friendly hydrogel-based triboelectric nanogenerators for versatile energy harvesting and self-powered sensors", Adv. Energy Mater., 7, 1601529 (2017).

(6) Long-biao Huang, Wei Xu, Gongxun Bai, Man-Chung Wong, Zhibin Yang, and Jianhua Hao*, "Wind energy and blue energy harvesting based on magnetic-assisted noncontact triboelectric nanogenerator", Nano Energy, 30, 36 (2016).

(7) Long-Biao Huang, Gongxun Bai, Man-Chung Wong, Zhibin Yang, Wei Xu, and Jianhua Hao*, "Magnetic-assisted noncontact triboelectric nanogenerator converting mechanical energy into electricity and light emissions", Adv. Mater., 28, 2744 (2016).

本文由CQR編譯。

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