河南大學路浩為&哈理工楊文龍&寧波材料所胡本林Nano Energy：壓電納米發電機性能改善與自供電傳感系統應用的最新研究成果

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近年來，物聯網(IoT)的快速發展對人們的日常生活、生產制造和環境保護等方面帶來巨大便利。作為IoT中的感知端口，傳感節點的靈活布局對系統的功能設計起著至關重要的作用。傳統的電網供電顯然不能完全滿足傳感器節點移動式及分布式布局的要求，而電池供電在產生較高人力維護成本的同時也很易引起環境污染。因此，開發尺寸小、輸出高、性能穩定的納米發電機成為了解決能量供給問題的最佳選項之一。基于有機/無機復合材料的柔性壓電納米發電機(PENG)是通過壓電效應實現機械能-電能轉換的器件，可收集如人行走、肌肉拉伸、空氣流動等低頻機械能。相較與摩擦納米發電機(TENG)，PENG具有體積小、使用壽命長、受環境因素響小等優勢，但較低的輸出限制了其實際應用。通常，此類型PENG的電輸出性能取決于極化時作用在壓電填料上的有效極化場和受外力時在作用在壓電填料間的應力傳遞效率。然而，作為基體的高分子材料通常具有良好的絕緣性，將消耗大部分極化電壓；同時，在受到外力作用時，大部分應力也會被柔性基質所吸收而影響其應力傳遞效率，因此造成PENG輸出不高，這也是限制PENG實用化進程中的瓶頸之一。

近日，本工作團隊科研人員設計了一種基于核殼異質結構復合纖維的PENG器件，該結構材料可通過誘導高有效場極化與改善壓電填料間應力傳遞效率機制雙管齊下提高PENG的壓電輸出；繼而，通過合理的能量管理電路設計與PENG結合實現了通過收集自然環境中風能的自供電無線環境監測系統構建(圖1)。該壓電材料的微觀結構是通過附在復合纖維外殼層的鈦酸鋇包覆銀顆粒(BT@Ag)增強壓電填料表面的極化電勢，同時誘導更多應力從纖維材料外部傳遞給內部壓電填料的機制有效提高輸出。其性能增強機理可通過多物理場仿真解釋(圖2)。基于壓電紡絲材料具有柔性、輕質和對型變敏感的特點，研究人員利用基于該材料PENG可有效收集噪音和風力所產生的能量，通過簡單的整流電路設計后可為溫濕度計、計算器等小型電子設備供能(圖3)。更為吸引人的是本工作所設計的PENG可與源管理電路設計、低功耗通信技術和窄帶物聯網技術(NB-IoT)相結合可實現完全自供電的土壤濕度檢測系統的構建(圖4)。

相關研究成果以《High performance piezoelectric nanogenerator by fiber microstructure engineering toward self-powered wireless sensing system》為題發表在國際頂級期刊Nano energy上，論文鏈接：Nano Energy 128 (2024) 109901，https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109901;河南大學物理與電子學院路浩為為第一單位通訊作者，哈爾濱理工大學楊文龍，河南大學物理與電子學院劉暢與中國科學院寧波材料技術與工程研究所胡本林研究員為共同通訊作者。

圖1 基于PENG的微納能源收集與自供電傳感系統構建示意圖

圖2 基于傳統靜電紡絲和核殼異質結構靜電紡絲的(a)極化電勢(b)應力傳遞(c)產生壓電勢的多物理場仿真

圖3 本工作設計的PENG (a)-(c) 對于噪音能量的收集 (d)-(f) 對于風能的收集 (g-i) 經整流電路設計實現為小型電子設備供能

圖4 (a)基于PENG的無線傳感監測系統框圖 (b)-(d) 本工作基于PENG自供電的土壤濕度無線監測系統設計

通訊作者介紹

路浩為，工學博士，博士后，河南大學副教授，科研方向：壓電、鐵電陶瓷材料，無機薄膜材料，壓電/摩擦復合納米發電機設計及其物聯網應用。主持/參與國家自然科學基金3項，省部自然科學基金5項，國家電網橫向項目2項。以第一和通訊作者身份在Nano energy、Small、ACS Appl. Mater. Inter.等知名期刊上發表過多篇論文成果。業余擔任Nano Today、Nano energy、ACS Appl. Mater. Inter.等學術期刊審稿人。獲得河南省教育廳2024，2023年度科技成果一等獎各1項，2022年開封市自然科學優秀學術成果二等等獎項(皆為第一完成人) 。聯系郵箱：sadearl@163.com

楊文龍，哈爾濱理工大學儀器科學與技術學科副教授，博士生導師。黑龍江省激光光譜技術及應用重點實驗室光纖傳感研究方向負責人。主要從事光與物質的相互作用機制研究，致力于光纖傳感和智能儀器的設計和應用探索。以第一和通訊作者在Nano Energy, Nano. Res., J. Mater. Chem. C, Opt. Express, 等期刊發表SCI論文60余篇，獲批發明專利20余項。主持國家自然科學基金、黑龍江省優青、黑龍江省高創新人才項目等10余項，獲黑龍江省科學技術二等、三等獎各1項，聯系郵箱：wlyang@hrbust.edu.cn。

劉暢，河南大學副教授，于2018年畢業于北京理工大學物理學院，獲得博士學位，專業為凝聚態物理。2018年起在河南大學物理與電子學院工作，主要從事二維材料、鐵電性、磁性和電子結構等研究領域的理論計算工作。

胡本林，中國科學院寧波材料技術與工程研究所,?研究員，長期從事有機功能材料（特別是彈性電子材料）的合成、器件制備和性能調控等相關工作，先后獲得中國科學院院長獎、德國洪堡獎學金和寧波市自然科學獎（一等獎和二等各一次）等國內外獎項支持。?已在國內外高水平學術期刊上發表論文近40篇，其中包括Science，J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.等國際頂級期刊。