魯東大學董君、河北大學馬剛團隊ACS AMI：新型液滴能采集系統，具有創紀錄電壓，可持續驅動電子器件

一、導讀

水是地球上最大的能源載體，也是人類社會清潔和可持續能源的主要來源之一。長期以來，水能的利用一直是能源研究的焦點。然而，對于自然界中以高熵形式分散在環境中的絕大多數水能，包括雨滴能、溪流能和波浪能等，傳統的水能收集技術無法對其進行有效利用。因此，這些高熵能源到目前為止大部分還處于未被開發的狀態。這無疑是對大自然能量的巨大浪費。發展有效的方法來收集這些高熵水能不僅有助于社會的可持續發展，還有望滿足物聯網( IoT )時代對分布式能源的巨量需求。近年來發展的液滴納米發電機（Droplet-based Nanogenerator，DNG）無疑是一種獨特的高熵水能收集技術。它利用固液界面納米尺度空間內的接觸起電和位移電流，巧妙地將水滴運動產生的機械能轉化成電能，因此特別適合于收集高熵水能。自問世以來，DNG技術吸引了很多關注。

二、成果

近日，魯東大學董君課題組和河北大學馬剛教授課題組合作，在中科院TOP期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上發表題為“Droplet Energy Harvesting System Based on Total-Current Nanogenerator”的工作。在該項工作中，提出了一個基于全電流納米發電機概念的高性能DNG系統。該系統采用水電荷梭（Water-Charge-Shuttle, WCS）架構直接產生高壓直流輸出，并利用場效應提高摩擦電層的電荷密度，并實現該系統與太陽能板的完美契合，極大地提高了系統的輸出性能。此外，該工作還報到了一個新穎的基于GDT的DC-DC Buck轉換器，實現了對DNG能量輸出的高效管理。最終，本工作所提出的液滴能集成系統克服了現有DNG技術的主要瓶頸，并展現出前所未有的優越性能。

圖1 基于全電流納米發電機的液滴能采集系統

三、創新點

1.提出了一種具有新型DC-DC Buck管理電路并兼容太陽能板的液滴納米發電機系統。

2.該全電流納米發電機系統具有易于集成、輸出優異、與太陽能技術兼容以及電源管理高效等特點。

3.該系統實現了創紀錄的4200 V高壓直流輸出，足以連續驅動商用微電子器件。

4.該系統在智能溫室場景中展示了巨大應用潛力。

四、數據概覽

圖2 ?(a) DNG核心結構剖視圖。(b) DNG在太陽能電池板上的物理圖像、FEP摩擦電層的接觸角和紫外-可見光譜表征。(c) DNG的工作機制。 (d-f）以太陽能電池板為基底的DNG與以Teflon板為基底的DNG在輸出電流、開路電壓和轉移電荷方面的性能比較。

圖3 ?(a-c) 集成在太陽能電池板上的DNG陣列在輸出電流、開路電壓和轉移電荷方面的性能特征。 (d) DNG系統的開路電壓，插圖為測試電路圖。(e) DNG系統獲得的開路電壓值與之前報告的開路電壓值的比較。(f) DNG系統驅動1440個串聯LED。(g-i) DNG系統在雨水條件下的輸出電流、開路電壓和轉移電荷的性能表征。

圖4 (a-c) 使用不同規格的GDT作為放電開關時，太陽能電池板上DNG陣列在輸出電流、放電頻率和電荷傳輸速率方面的輸出特性。(d-e) DNG系統驅動960個串聯LED（無GDT和有GDT作為放電開關）

圖5 (a) 安裝了額外電容的太陽能電池板上DNG陣列的工作循環。(b) 額外電容和GDT的不同組合對DNG系統的輸出電流的影響。(c) 額外電容和GDT的不同組合對DNG系統的電荷傳輸速率的影響。

圖6 (a) DNG驅動的自供電智能花卉溫室示意圖。(b) 溫濕度計的持續驅動操作演示。(c) 照度儀的操作演示。(d) 藍牙花卉監測器的操作演示。(e) 藍牙溫濕度計的操作演示。(f-i) 溫濕度計、照度計、藍牙花卉監測器和藍牙溫濕度計運行時系統的電壓曲線。

五、文章總結

在該項工作中，我們基于全電流發電新理念提出了一種液滴能捕集納米發電機集成系統，以展示在解決DNG技術實用化瓶頸方面所做的努力。DNG集成系統是組裝在商用太陽能電池板上的直流DNG陣列，它采用易于擴展的液滴電荷梭直流架構,并利用場效應提高電荷密度。此外，該系統還可以與太陽能板完美整合，并配備了新型直流-直流降壓轉換電路。與之前的系統相比，該系統具有更加優越的輸出性能。該系統的核心結構緊湊，盡管物理尺寸僅為15×12.5×0.3厘米，但是其開路電壓達到創紀錄的4200 V，可點亮1440盞LED，并能在24分鐘內將4.7 mF的電容器充至4.5 V。此外，通過自供電智能溫室應用場景進一步展示了所提出的DNG系統的巨大實用前景。這些演示包括連續驅動微電子設備、驅動環境監測器并傳輸無線數據以及全天候收集能量的能力。希望該工作能夠激勵DNG技術未來的實用化發展，從而釋放高熵水能在現實世界應用中的無盡潛力。

通訊作者：

董君博士，山東省泰山學者青年專家，魯東大學集成電路學院碩士生導師、微納機電器件與智能系統實驗室負責人。主要從事物聯網時代基于微納力電轉換技術的新概念摩擦電MEMS器件與智能傳感系統研究工作，致力于高熵水能捕集全電流納米發電機開發及其在物理理論，器件架構，材料工藝，管理電路及自驅動片上集成系統技術等方面的創新研究。近五年，主持國家自然科學基金1項，以第一和通訊作者發表在Energy & Environmental Science（IF=39.7，高被引）、Nano Energy（3）、ACS AMI等高水平期刊10余篇，授權發明專利1項，出版中英文專著章節各1章。首創開發的直流液滴發電成果引起國內外同行的廣泛關注、圖文引用、新聞報道和追蹤性研究。

朱麗麗博士，魯東大學物理與光電工程學院碩士生導師，中國機械工程學會高級會員。主要從事高端裝備潤滑材料的摩擦物理化學、界面摩擦電與器件物理等摩擦學相關學科交叉研究工作。近五年，主持省部級項目2項、固體潤滑國家重點實驗室開放課題及市廳級項目等多個課題，以第一和通訊作者發表在Tribology International 、ACS Applied Materials & Interfaces、Applied Surface Science等高水平期刊十余篇，授權中國發明專利2項。

馬剛教授，現為河北大學化學與材料科學學院博士生導師。目前主要致力于應用振動光譜和原子力顯微鏡等技術手段研究淀粉樣自組裝體系的微觀結構和成核生長機制以及與液滴納米發電機相關的固液界面結構和界面電荷轉移機制。技術專長為和頻振動光譜和紅外光譜，曾作為第一完成人獲2019年度河北省自然科學三等獎一項，獲獎成果為《振動光譜在分子結構研究中的應用》。

文章詳情：Li, Yuanhang, Gang Ma*, Yang Li, Jie Fu, Meishan Wang, Kuiliang Gong, Weimin Li, Xiaobo Wang, Lili Zhu*, and Jun Dong*. "Droplet Energy Harvesting System Based on Total-Current Nanogenerator." ACS Applied Materials & Interfaces. 2024, 16, 21, 27339–27351.鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.4c02607

本工作由國家自然科學基金（No. 52305601和21973024）資助完成。

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