摩擦納米發電機（TENG）未來可期嗎？

TENG介紹：

摩擦納米發電機作為一種能量產生單元，在其內部的電路中，由于摩擦起電效應，兩個摩擦電極性不同的摩擦材料薄層之間會發生電荷轉移而使得二者之間形成一個電勢差；在外部電路中，電子在電勢差的驅動下在兩個分別粘貼在摩擦電材料層背面的電極之間或者電極與地之間流動，從而來平衡這個電勢差。摩擦納米發電機的動力源既可以是已被人們認識的風力、水力、海浪等大能源，也可以是人的行走、身體的晃動、手的觸摸、下落的雨滴等從沒被人們注意過的環境隨機能源，還可以是車輪的轉動、機器的轟鳴等。

發展歷程：王中林院士2006年首次發明了壓電納米發電機，2007年成功首次研發出由超聲波驅動的可獨立工作的直流納米發電機，2008年研發出可以利用衣料來實現發電的“發電衣”的原型發電機。2012年研發成功摩擦納米發電機。壓電納米發電機的原理是利用壓電效應所產生的電場來驅動外電路電子的瞬時流動。摩擦納米發電機的原理是利用摩擦起電和靜電感應效應的耦合，同時配合薄層式電極的設計，實現電流的有效輸出，其結構非常簡單、輕巧，用來產生摩擦并形成電流向外輸出的基本元件，都是僅有微米級厚度的薄膜材料，并由此使得整個器件具備了柔軟甚至可以透明的特性。目前按照其工作模式主要分為4種形式，分別是：垂直接觸-分離式、滑動式、單電極式和獨立式。

近期文章：

AEM：離實現自驅動柔性健康監測系統還有多遠

隨著柔性電子技術和傳感技術的迅速發展，通過一種非常輕而柔軟的附著在皮膚上的裝置，可以檢測各種人體生命體征和生物標記物。為了支持這種傳感裝置的多參數跟蹤和連續運行，需要一種體積小、可移動、具有高能量密度和自充電能力的強大的能源供應單元。最近出現的能量收集設備展示了利用環境和基于人類的能源為傳感器系統供電的潛力。在此背景下，香港中文大學Ni Zhao教授探討了當前的柔性能源設備的容量是否可以滿足長期健康監測應用中無線柔性傳感器系統的能源需求。首先，通過分析相關系統每個構造塊的能耗來估算典型傳感器系統的總能量需求。通過將電池/超級電容器作為能量存儲單元并將光伏，熱電，壓電和摩擦電設備作為能量收集單元來討論能量供應體系結構的設計。根據分析，提出了可以通過自供電系統設計輕松實現的健康監控協議，并確定了進一步開發實際應用技術的核心挑戰。相關研究以“How Far Are We from Achieving Self-Powered Flexible?Health Monitoring Systems: An Energy Perspective”為題目，發表在AEM上。DOI: 10.1002/aenm.202002646

圖1?用于監測各種生理信號的自驅動無線柔性傳感器系統的能量供需示意圖

AFM：基于摩擦納米發電機和介電彈性體的可擦寫盲文顯示系統

盲人主要依靠盲文書籍來獲取文本信息。然而，內容一成不變的盲文書籍既笨重又不方便閱讀。因此，尋找一種安全、簡單、有效的方法來開發新的盲文裝置是十分必要的。這種先進的方法有望成為可刷新、靈活、便攜的下一代盲文書。為此，近日，中國科學院北京納米能源與系統研究所李舟、陳翔宇研究員等設計了一種由摩擦電納米發電機驅動的安全介電彈性體盲文裝置。它制作簡單，價格便宜，安全，對盲人沒有任何潛在的危險。研究者通過優化器件設計，使TENG產生3000多伏的電壓，其短路電流僅為微安級，不會對人體產生任何危害，可驅動介電彈性體薄膜，使其發生形變，并成為可觸摸的盲文觸點。此外，設計了一種程控開關矩陣，通過多個介電彈性體點來控制盲文裝置，實現復雜的可刷新顯示，為不久的將來為盲人提供一種頁面大小的便攜式盲文電子書提供了可能。相關研究以“Refreshable Braille Display System Based on Triboelectric Nanogenerator and Dielectric Elastomer”為題目，發表在AFM上。DOI: 10.1002/adfm.202006612

圖2?可刷新盲文顯示系統的設計

Nano?Energy：仿生透明和抗菌電子皮膚敏感的觸覺感知

摩擦電子皮膚由于具有自供電的特性，近年來受到越來越多的關注。廣泛使用復雜苛刻的技術來創造高比表面積，以提高觸覺感知的靈敏度。利用高效、簡便的方法制備分層微納米結構仍然是一項艱巨的任務。此外，關于電子皮膚與人體長時間接觸細菌生長的問題，鮮有報道。這里東華大學丁彬、李召嶺教授等人報道了一種柔性、透明和抗菌的摩擦電子皮膚，用于敏感的觸覺感知。受玫瑰花瓣微結構的啟發，開發了一種特殊的“復制”方法，以制備均勻、分層的納米微結構傳感層，避免了玫瑰花瓣結構的多樣性和異質性。當與基于纖維的導電網絡和抗菌基底結合時，這種高度形狀自適應的電子皮膚可以匹配地附著在任何曲面上，并實現距離分辨率、多觸覺感知和實時軌跡識別功能。這項工作對多功能電子皮膚的發展具有重要的意義，具有良好的實用性。相關研究以“Bioinspired transparent and antibacterial electronic skin for sensitive tactile sensing”為題目，發表在Nano?Energy上。DOI:?10.1016/j.nanoen.2020.105669

圖3?電子皮膚結構與功能設計

Nat. Sustain.：一種高效的摩擦電負離子空氣離子發生器

空氣負離子(NAIs)已廣泛應用于最近的空氣污染物清除技術及其對人類健康的有益影響，包括過敏緩解和神經遞質調節。在此，北京納米能源與納米系統研究所王中林教授聯合喬治亞理工學院Vincent K. S. Hsiao?教授等人報告一種電暈型，機械刺激摩擦電NAI發生器。利用摩擦電納米發電機的高輸出電壓，空氣分子可以通過各種運動從碳纖維電極上局部電離，電子-離子轉換效率高達97%。在實驗中發現，摩擦納米發電機在一個滑動周期中，實際測試產生了約2x10¹³個數量的空氣負離子。值得注意的是，在一個約5086 cm³的腔體內，0.25 Hz的滑動頻率下，PM 2.5在80 s內可以從999 ug m^-3快速降至0 ug?m^-3。這種摩擦電NAI發生器簡單，安全和有效，提供了一個有吸引力的替代選擇，可持續的途徑，以改善健康和貢獻更清潔的環境。相關研究以“A highly efficient triboelectric negative air ion generator”為題目，發表在Nat. Sustain.上。DOI: 10.1038/s41893-020-00628-9

圖4?摩擦電空氣負離子發生器原型

Materials today：基于液態金屬摩擦納米發電機的3D 加速度傳感器的車輛約束系統

車輛約束系統在事故發生時對限制乘客傷害起著不可替代的作用，其中3D加速度傳感器(AS)是檢測碰撞位置和作用力的重要部件。然而，商用傳感器存在被動式傳感、靈敏度低、制造成本高等缺陷。在這里，王中林教授聯合西南交通大學報道了一種基于液態金屬摩擦電納米發電機(LM-TENG)的輕型、高靈敏度、低成本和自供電的3D AS。考慮到電極的編碼策略，與目前報道的自供電AS相比，3D AS保留了最小的尺寸、最小的重量和最高的集成度。所制備的傳感器水平方向的探測范圍為0 ~ 100 m/s²，垂直方向的探測范圍為0 ~ 50 m/s²，靈敏度為800 mV/g。連續運行10萬次后，開路電壓下降幅度可忽略不計，具有良好的穩定性和耐久性。此外，3D AS作為安全氣囊系統的一部分，可以同時識別汽車的碰撞位置和碰撞力。這項工作將進一步推動基于TENG的傳感器的商業化，并展示在汽車約束系統中的應用前景。相關研究以“All-in-one 3D acceleration sensor based on coded liquid–metal triboelectric nanogenerator for vehicle restraint system”為題目，發表在Materials?Today上。DOI:10.1016/j.mattod.2020.10.031

圖5三維加速度傳感器的全空間加速度測量及其在汽車安全約束系統中的應用

Nano Energy：基于褶皺PDMS/MXene復合薄膜的柔性超靈敏摩擦電觸覺傳感器用于電子皮膚

基于觸覺傳感器的電子皮膚(E-skin)在監測日常健康狀況和人工智能(AI)方面發揮著重要作用。對人體皮膚的高靈敏度和高柔韌性要求很高。哈爾濱工業大學張化宇、Gui-Gen Wang教授聯合北京納米能源與納米系統研究所楊亞研究員利用紫外臭氧(UVO)輻照制備了一種柔性的 PDMS /MXene復合薄膜，構建自供電觸覺傳感器。該器件的最佳靈敏度分別在10~80 Pa時達到0.18V/Pa，在80~800 Pa時達到0.06V/Pa，高于大多數其他自供電式觸覺傳感器。利用COMSOL仿真軟件結合理論分析，說明了在低壓和高壓下不同的靈敏度與皺紋有關。我們的觸覺傳感器在監測復雜的人體生理信號和模擬人體觸覺方面顯示出良好的應用前景。相關研究以“A flexible ultra-sensitive triboelectric tactile sensor of wrinkled PDMS/MXene composite films for E-skin ”為題目，發表在Nano?Energy上。DOI:?10.1016/j.nanoen.2020.105663

圖6?基于褶皺PDMS/MXene復合薄膜的摩擦電觸覺傳感器

AFM：基于可伸縮，可清洗，超薄摩擦電納米發電機的高敏感，自驅動觸覺傳感器

隨著多功能可穿戴電子產品的蓬勃發展，靈活、可持續和可穿戴電源面臨著巨大的挑戰。王中林教授團隊報道了一種可拉伸、耐清洗且超薄仿造皮膚的摩擦納米發電機（SI-TENG），其可以收集人體運動能量，并作為一種高度敏感的自供電觸覺傳感器。材料和結構優化后的SI-TENG，具有可拉伸性高（800％）、超薄（89 μm）、輕便（0.23 g）等優點，其能與人體皮膚很好的相適應，且不影響人體皮膚接觸。由銀納米線(AgNWs)與熱塑性聚氨酯均勻纏繞而成的可拉伸復合電極(TPU)納米纖維網絡是通過TPU同步靜電紡絲和AgNWs電噴涂制備的。面積為2×2 cm²的SI-TENG，在施加力為8 N和1 Hz的負載頻率時，其開路電壓（Voc）、短路電流（Isc）和功率密度可以分別達到95 V、0.3 μA和6 mWm^-2。通過集成信號處理電路，SI-TENG具有出色的能量收集和自供電傳感能力，被證明是一個觸覺傳感器陣列，以檢測人類的行為。SI-TENG在人機界面和安全系統領域有著廣泛的應用。相關研究以“Stretchable, Washable, and Ultrathin Triboelectric?Nanogenerators as Skin-Like Highly Sensitive Self-Powered?Haptic Sensors”為題目，發表在AFM上。DOI: 10.1002/adfm.202005584

圖7?單電極超薄可拉伸的SI-TENG結構設計

AEM：一種新型的MXene/Ecoflex納米復合材料涂層織物，作為高輸出摩擦電納米發電機的摩擦層

摩擦電材料的性能和接觸層的機械穩定性是實現持久的、具有高輸出性能的摩擦電納米發電機(TENGs)的關鍵。韓國光云大學Jae Yeong Park教授團隊介紹了一種新型的MXene/Ecoflex納米復合材料，由于其具有很高的負摩擦電性和機械穩定性，是一種很有前途的摩擦電材料。基于MXene/Ecoflex納米復合材料的防水TENG（FW-TENG），用于從各種人體運動以及自然環境(雨和風)中普遍獲取能量。FW-TENG在8N的作用力下（4.5Hz），可以輸出3.69mW的峰值功率（4.5兆歐的負載），峰值功率密度達到9.24W/m²。此外，還研究了該裝置在各種產品中的適用性，FW-TENG可以防止因下雨和潮濕天氣造成的碰撞。FW-TENG不僅具有自供電的優點和優異的機械性能，還具有非常可靠和穩定的抗水入侵性能，這是實現下一代可穿戴/便攜技術的重要特征。相關研究以“A Novel MXene/Ecoflex Nanocomposite-Coated Fabric as a?Highly Negative and Stable Friction Layer for High-Output?Triboelectric Nanogenerators”為題目，發表在AEM上。DOI:10.1002/aenm.202002832

圖8?自供電FW-TENG演示

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