河南大學程綱團隊Nano Energy：用于高效自驅動系統的集成同步觸發機械開關的轉動式脈沖摩擦納米發電機

引言：

物聯網的發展需要數以十億計的傳感器。這些傳感器需要合適的、可持續的能源供應。通過從環境中收集機械能并高效的轉化為電能，摩擦納米發電機（TENG）被用來發展自驅動傳感系統。然而，TENG具有輸出電壓高、電流低的特點，因此需要合適的電源管理電路將其輸出轉化為穩定的低電壓、大電流形式。但是，TENG的內部等效阻抗（1-100 MΩ）遠大于電管管理電路的等效阻抗（一般小于1?kΩ），導致TENG的能量無法轉移到電源管理電路中。在之前的工作中，程綱課題組通過引入同步觸發機械開關（STMS），發展了脈沖TENG（Pulsed-TENG）。STMS的引入降低了TENG的內部等效阻抗，實現了最大化的輸出能量。然而，由于難以實現適合的STMS，轉動式Pulsed-TENG的報道很少。而相對于其它工作模式，轉動式TENG具有更高的輸出性能、穩定性和耐久性。因此，實現旋轉Pulsed-TENG對自驅動系統的發展具有重要意義。

成果簡介：

近期，程綱教授課題組的研究成果“Rotational Pulsed Triboelectric Nanogenerators Integrated with Synchronously Triggered Mechanical Switches for High Efficiency Self-Powered Systems”在國際著名刊物Nano Energy (IF=16.602, JCR一區)上發表。在本文中，我們報道了基于與電極層同步制備的STMS的轉動式獨立摩擦層脈沖TENG（RF-Pulsed-TENG）。通過印刷電路板（PCB）工藝，一步制備了TENG的電極層和機械觸發開關，簡化了TENG的制備，提高了穩定性和耐久性。通過合理的設計，實現了交流（AC）、單向（UDC）兩種輸出形式的RF-Pulsed-TENG。由于STMS的開-關狀態可以與TENG的轉速匹配，RF-Pulsed-TENG的輸出電壓和輸出能量可以始終保持最大化，而不受轉速和負載阻抗的影響。通過合理的設計，實現了交流（AC）、單向（UDC）兩種輸出模式的高效轉動Pulsed-TENG，它們對應的電源管理電路的能量存儲效率分別為51.6%和52.0%。結合齒輪箱和無源高效電源管理電路，新型的轉動式Pulsed-TENG展現出了在收集真實環境中雜亂無章的機械能方面的優勢，且可以驅動一系列電子器件供電，例如計算器、電子表和溫濕度計等，在基于TENG的自驅動傳感系統方面展現出很好的應用前景。博士生尚婉玉和顧廣欽博士為論文的共同第一作者，程綱教授和杜祖亮教授是本文的共同通訊作者。

圖1. 傳統旋轉獨立摩擦層模式的TENG，AC和UDC RF-Pulsed-TENG的具體結構。(a) 轉動式TENGs的結構示意圖。(b) 轉動式TENG的摩擦層表面的俯視圖。(c) 極板背面的接線方式：(i)、(ii) 傳統轉動式TENG的背面接線圖；(iii)、(iv)?AC RF-Pulsed-TENG的背面接線圖；(v)、(vi) UDC RF-Pulsed-TENG的背面接線圖。

圖2. 三種轉動式TENG的工作原理示意圖。 (a) 傳統轉動式TENG的工作原理。(b) AC RF-Pulsed-TENG的工作原理。(c) UDC RF-Pulsed-TENG的工作原理。

圖3. 三種轉動式TENG在不同轉速下的輸出性能。100 MΩ負載下，傳統轉動式TENG在不同轉速時的輸出電壓(a)，輸出電流(b)和短路轉移電荷量(c)。100 MΩ負載下，AC RF-Pulsed-TENG在不同轉速時的輸出電壓(d)，輸出電流(e)和短路轉移電荷量(f)。100 MΩ負載下，UDC RF-Pulsed-TENG在不同的轉速時的輸出電壓(g)，輸出電流(h)和短路轉移電荷量(i)。(j)和(k) 100 MΩ負載下，轉速為240 rpm，UDC RF-Pulsed-TENG長時間的輸出電流峰值及曲線。

圖4.由齒輪箱、UDC RF-Pulsed-TENG和電源管理電路組成的自驅動系統。(a)齒輪箱和UDC?RF-Pulsed-TENG的示意圖。(b)齒輪箱的工作過程:?(i)靜態，(ii)拉伸，(iii)發條拉滿，(iv)釋放。(c)不同拉線長度下UDC RF-Pulsed-TENG在100 MΩ負載電阻下的輸出電流。(d)?Pulsed-TENGs的實物圖，插圖是STMSs的放大圖。(e)?UDC RF-Pulsed-TENG有無電源管理電路對10 μF電容的充電曲線，插圖是手拉線的過程。(f) UDC RF-Pulsed-TENG經無源電源管理電路驅動電子表時電容的電壓曲線。(g)?用腳驅動齒輪箱，驅動計算器(h)和溫度/濕度計(i)的照片。

文章鏈接：Rotational Pulsed Triboelectric Nanogenerators Integrated with Synchronously Triggered Mechanical Switches for High Efficiency SelfPowered Systems?(Nano Energy, 2020,105725)

網址鏈接: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105725

本工作得到國家自然科學基金委、中國博士后自然科學基金、河南省科技廳和河南大學的經費支持。

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ACS Nano、Adv. Mater.、Nano Energy、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Angew. Chem.、Appl. Phys. Lett.等期刊發表SCI論文60余篇。主持國家自然科學基金4項，獲得河南省科技進步二等獎2項。主要研究方向有：納米結構與光電器件，納米發電機，自驅動傳感器等。

Email: chenggang129@126.com; chenggang@henu.edu.cn

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