河南大學程綱團隊Nano Energy：大尺寸水滴摩擦納米發電機

【引言】

隨著物聯網（IoT）和人工智能（AI）時代的到來，傳感器和傳感系統將扮演更重要的角色，并向多功能和智能化方向發展。自從王中林教授團隊發明了摩擦納米發電機（TENG）以來，它實現了從環境中收集機械能然后轉化為電能的研究，并引起了極大的關注。TENG在收集低頻機械能的同時具有很高的能量轉換效率，然而，出于可持續目的，基于固-固接觸的TENG的耐久性需要提高，因為在TENG的固-固界面上發生的摩擦非常嚴重，這妨礙了TENG的長期使用。最近，已經發展出基于液固接觸模式的TENG，這為降低摩擦磨損、收集新型的能量形式提供了方法。但是，現有的器件制備策略具有制造過程復雜、成本高等諸多問題，限制了器件的大尺寸加工。

【成果簡介】

近日，河南大學特種功能材料教育部重點實驗室程綱教授報道了一種具有出色性能的大尺寸水滴摩擦納米發電機（WD-TENG），使用基于原位生長的層狀雙氫氧化物（LDHs）作為摩擦電層，而鋁則是生長的襯底并作為電極。通過表面功能化，可提供幾乎“無摩擦”的表面，獲得更長的使用壽命以及更好的水能收集性能。WD-TENG是在低溫下使用這種自下而上的方法構建的，具有操作簡便，成本低和可擴展性的優點。這種新方法可以實現大規模的制備，作者已通過成功制造長達一米的WD-TENG進行了驗證，因此對于現有WD-TENG的生產方法而言，這是一種很有前景的策略，可應用于自供電傳感系統以及有助于藍色能源夢想的實現。

研究成果以“Meter-scale Fabrication of Water-Driven Triboelectric Nanogenerator based on in-situ Grown Layered Double Hydroxides through a Bottom-up Approach”為題發表在國際著名期刊Nano Energy上。該項工作的第一作者為河南大學崔鵬博士和博士研究生王京京，程綱教授和杜祖亮教授是本文的共同通訊作者。

【圖文導讀】

圖一： LDHs作為摩擦層的原位生長過程示意圖以及表面改性前后的形貌表征。

a.在鋁基板的腐蝕過程中原位生長LDHs；經過表面改性獲得了超疏水摩擦層。 b，d分別是在鋁基板上生長的LDHs的SEM和AFM圖像。 c，e分別是在鋁基板上表面改性的LDH的SEM和AFM圖像。

圖二：

a. 制備的長達一米的WD-TENG及b. 六個不同區域的SEM圖像，這些區域是從WD-TENG的六個不同位置（以綠色方塊標記）隨機選擇的。c. 水滴（R₀≈3mm）在WD-TENG上的回彈實驗。

圖三： WD-TENG從水滴收集能量的示意圖及發電過程的仿真模擬。

a. 基于LDH改性的WD-TENG從水滴收集能量的工作原理圖。b，c，d，e為當水滴接近WD-TENG的表面時，模擬動態過程的相應電勢分布。

圖四.：WD-TENG的輸出性能：

a. 輸出電壓和b. 電流密度和c. 轉移電荷；d. WD-TENG的穩定性測試；e. 耐酸耐堿穩定性測試；f. 基于WD-TENG的自驅動流速計。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104646

【作者簡介】

程綱，男，1978年生，博士，教授，博士生導師，國家優秀青年基金獲得者，河南省高校創新團隊帶頭人，河南省科技創新杰出青年，河南省學術技術帶頭人。2003年起，在河南大學特種功能材料教育部重點實驗室工作，2013-2016年在佐治亞理工學院做訪問學者，從事納米結構與光電器件的研究。在Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Nano Energy, ACS Nano, Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Appl. Phys. Lett.等期刊發表論文50余篇。主持國家自然科學基金3項，獲得河南省科技進步二等獎2項。主要研究方向有：摩擦納米發電機、自驅動傳感器、納米結構與光電器件等。

Email: chenggang@henu.edu.cn