河南大學程綱團隊Nano Energy：基于互激勵策略的超高電荷密度和瞬時功率的水滴納米發電機

一、【引言】

摩擦納米發電機(TENG)可以收集環境中的各種機械能，如人的移動、風的流動、水滴/流動等，并將其轉化為電能。TENG的工作機理是接觸起電與靜電感應效應的耦合。TENG具有工作模式多、材料來源廣、制備簡單、低頻能量轉換效率高等優點。由于固-液界面磨損小，水滴摩擦納米發電機（WD-TENG）受到了廣泛的關注。但是，WD-TENG的發展和應用受到以下因素的制約。首先，水滴的電荷密度小，限制了WD-TENG的輸出性能和實際應用。其次，WD-TENG一般是交流輸出。它們需要整流橋或電源管理電路對其輸出進行管理以驅動電子設備，這會導致額外的能量損失。最后，WD-TENG的輸出性能高度依賴介電摩擦層的表面潤濕性。當介電摩擦層表面被水浸潤，WD-TENG的輸出性能會急劇下降。因此，提高水滴電荷密度，實現單向輸出，減少對介電摩擦層潤濕性的依賴是WD-TENG實際應用面臨的挑戰。

開爾文滴水起電機是英國科學家開爾文勛爵于1867年發明的靜電發生器。開爾文滴水起電機的工作機理是靜電感應效應和正反饋調節。它可在短時間內形成?~ 10 kV的高壓。但是開爾文滴水起電機的極性是隨機的，在相對濕度較高時難以起電。此外，由于電荷量小，開爾文滴水起電機一般用作物理課堂上的演示實驗。對開爾文滴水起電機進行改進和優化，充分利用其起電速度快、自驅動、電壓高等特點，將使其具有廣闊的應用前景。

二、【成果簡介】

近期，河南大學特種功能材料教育部重點實驗室程綱教授課題組的研究成果“Interactive-excited waterdrop triboelectric nanogenerator with ultrahigh charge density and instantaneous power”在國際著名刊物Nano Energy (IF=17.881, JCR一區)上發表。

本文發展了一種將水滴摩擦納米發電機（WD-TENG）與開爾文滴水起電機相結合的相互激勵策略。通過WD-TENG的激勵，開爾文滴水起電機更容易起電且極性可控。通過開爾文滴水起電機的電壓對WD-TENG進行激勵，大大提高了WD-TENG的輸出性能。單個水滴的電荷量達到144 nC，對應的電荷密度高達2304 nC/mL，輸出電壓高達1760 V，瞬時功率高達54.6 mW。所獲得的電荷密度和瞬時功率參數比以往WD-TENG的記錄（498 nC/mL和13.63 mW）要大得多。此外，實驗證明，一滴62.50 μL的水可以點亮320個LED燈。相互激勵策略極大地提高了WD-TENG的電荷密度和瞬時功率，在水滴能量收集和自驅動系統領域具有廣闊的應用前景。

博士研究生羅洪春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。

三、【圖文解析】

圖1.?(a)開爾文滴水起電機示意圖。(b)開爾文滴水起電機開路電壓曲線(重復測量10次)。開爾文滴水起電機內帶正電荷的水滴的短路電流(c)、輸出電壓和轉移電荷(d)。(e)傳統WD-TENG激勵開爾文滴水起電機原理圖。(f) WD-TENG激勵開爾文滴水起電機時C盆的電壓曲線(重復10次)。(g) WD-TENG用于激勵開爾文滴水起電機的短路電流。(h)圖1g后1 s的放大圖。

圖2.?采用不同水溶液(NaCl為0.6 mol/L, NaOH水溶液pH為11,?HCl溶液pH為3)時，WD-TENG激勵開爾文滴水起電機的短路電流和輸出電壓(a)，轉移電荷(b)。不同相對濕度下，WD?-TENG激勵開爾文滴水起電機的短路電流(c)、輸出電壓(d)、轉移電荷(e)。(f)不同負載電阻下WD?-TENG激勵開爾文滴水起電機的輸出電壓、電流、瞬時峰值功率曲線。(g) WD?-TENG激勵開爾文水滴發生器穩定性試驗。(h)開爾文滴水起電機激勵的WD?-TENG整流后對不同電容的充電曲線。

圖3.?(a)開爾文滴水起電機激勵WD?–TENG的原理圖。(b)開爾文滴水起電機正電壓激勵WD?-TENG的工作機理。通過開爾文滴水起電機正電壓激勵WD?-TENG的短路電流(c)、轉移電荷(d)和輸出電壓(e)。開爾文滴水起電機負電壓激勵WD-TENG的短路電流(f)、轉移電荷(g)、輸出電壓(h)。液滴滑落的頻率為0.10 Hz。

圖4.?開爾文滴水起電機激勵的WD-TENG在不同流量下的短路電流(a)、輸出電壓(b)、轉移電荷(c)。(d)開爾文滴水起電機激勵的WD-TENG在不同負載電阻下的輸出電壓、電流和瞬時峰值功率曲線。(e)不同流量下開爾文滴水起電機激勵的WD?-TENG的充電性能。(f)開爾文滴水起電機激勵的WD?-TENG點亮320個LED燈的光學圖像。

四、【文章信息】

文章鏈接：Interactive-excited waterdrop triboelectric nanogenerator with ultrahigh charge density and instantaneous power

網址鏈接: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107158

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

五、【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，河南省中原千人科技創新領軍人才，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年起至今，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，從事納米結構與自驅動光電器件的研究。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: chenggang@henu.edu.cn

本文由作者供稿。