王中林院士Materials Today：先進3D打印摩擦納米發電機的研究進展

一、引言：

摩擦納米發電機（TENG）作為新時代的納米能源技術、引發了分布式能源供給和自驅動傳感系統的革命。當先進的TENG與新興的3D-Printing（3DP）工藝相結合時，催生了3DP-based TENG的出現，勢必推動新一代便攜式電子產品、IoT和人工智能的快速發展和應用。然而，受到二者學科領域巨大差異的影響，如何將二者的技術優勢充分融合、提高TENG的輸出性能和適用性成為亟待解決的巨大挑戰。

二、成果簡介：

中科院北京納米能源與系統研究所研究團隊綜述了先進的3D打印摩擦納米發電機的研究進展，基于已取得的研究成果，涉及3DP工藝與材料、結構設計與功能、工作模式與機理、電輸出性能、獨特的技術優勢等方面的定量統計和系統分析；討論了阻礙其規模化制作的挑戰和潛在的應用前景。期望通過本文的綜述，深化3DP與TENG的交叉融合、推動其更深入的研究和應用。研究成果以“Advanced 3D printing-based triboelectric nanogenerator for mechanical energy harvesting and self-powered sensing”為題，于2021年6月發表在Materials Today上，王中林院士為文章的通訊作者。

三、圖文導讀：

圖1.?3DP-basedTENG不同領域的部分應用實例展示和研究現狀總結。

相對于現有部分常規的TENG器件，3DP-based TENG不僅提高了器件的電輸出性能，還優化了器件結構、豐富了機械能的收集范圍、提升了TENG的實用性和適用性。作者首先較全面匯總了已有研究成果中所使用到的3DP技術和3DP材料、打印的TENG部件特點和功能性，并進行了分類統計和系統總結，分別如圖2和圖3所示。

圖2.?TENG涉及的3DP技術和3DP材料的統計和分析。

圖3. 利用3DP打印的TENG部件特點和功能性的統計和分析。此外，基于TENG四種基本工作模式：垂直接觸-分離模式（Vertical Contact-Separation Mode）、水平滑動模式（Lateral Sliding Mode）、單電極模式（Single-Electrode Mode）和自由端模式（Freestanding Mode），TENG可作為低功耗設備的可持續的功率電源，或者作為自驅動傳感器廣泛應用于健康監測、生物傳感、環境檢測、人工智能等領域。作者綜述了現有3DP-based TENG器件的工作模式，并進行了分類統計和系統分析，如圖4所示。接著，作者總結了3DP-based TENG在機械能收集和自驅動傳感系統領域中已取得的研究進展、獨特的技術優勢和部分已取得的研究成果實例展示，如圖5所示。

圖4.?3DP-basedTENG器件工作模式的統計和分析。

圖5.?3DP-basedTENG已取得的研究成果的分類和部分實例展示。

最后，作者總結了3DP-based TENG后續研究過程中需要注意的核心技術問題，提出了解決思路，并進一步展望了其創新發展的方向，也展示了其作為低功耗設備的電源或自驅動傳感器在居家、健康、生物、醫療、環境、科技、工業和航天等領域中潛在的應用前景。如圖6所示。

圖6. 3DP-basedTENG研究方向和應用前景展示。

四、小結：

TENG與3DP交叉融合的挑戰依然存在，但3DP-based TENG依然有著光明的未來，它們的蓬勃發展和應用是高科技下新時代進步不可阻擋的潮流。相信隨著相關領域科研的不斷深入，3DP-based TENG必將克服當前挑戰，也必將推動基于TENG的機械能收集技術和自驅動傳感領域的蓬勃發展。

文獻鏈接?

Advanced 3D printing-based triboelectric nanogenerator for mechanical energy harvesting and self-powered sensing. Mater. Today, 2021, DOI: 10.1016/j.mattod.2021.05.017

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.05.017

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