Adv. Energy Mater. 王中林教授關于摩擦納米發電機的最新綜述

材料牛注：你有沒有想過擁有一部永遠不用充電的手機？你有沒有想過通過說話就能點亮一束花朵？你有沒有想過植入人體的多功能微納元件可以永不斷電？……科學家王中林發明的摩擦納米發電機給我們帶來了未來生活空間的無限暢想！

近日，北京科技大學王寧（通訊作者）和美國佐治亞理工學院王中林（通訊作者）等人發表了一篇題為“摩擦納米發電機驅動的自供電電化學過程在能源與環境科學中的應用”的綜述，介紹了TENGs用于高效能量轉換和自供電的電化學系統方面的最新研究進展。這篇Review于7月29日在線發表于Advanced Energy Materials期刊上。下面讓我們來一睹為快吧！

王中林納米研究團隊自2012年發明摩擦納米發電機（TENG）以來，在有關TENG的基本機制和自驅動系統等方面取得了不少突破。TENG在微納能量收集上有許多優勢，可廣泛應用于傳感器、便攜設備等中。

在大牛王中林研究團隊的這篇最新Review中，作者主要綜述了TENGs在自供電電化學系統和高效能量轉換兩大方面的應用，包括水分解、海水淡化、空氣污染凈化、有機污染物降解、重金屬離子收集等。TENG驅動的自供電電化學系統可以不借助外部電源進行電化學反應，在環境科學領域有著廣闊的應用前景。文章還展望了該領域的發展趨勢和基本架構，并著重強調了TENGs驅動的自供電能量轉換系統在“藍色能源”中的應用。

摩擦納米發電機（TENGs）的應用綜述導覽圖

Part 1 摩擦納米發電機

1.1 摩擦納米發電機的基本模式和理論

TENGs的原理基于摩擦起電和靜電感應的耦合。通常，當兩種材料相互接觸時，界面的某些部位形成了化學鍵，電荷在界面之間轉移以平衡電化學勢，從而產生摩擦電荷。在外力驅動下，摩擦帶電的界面之間相互運動，導致TENGs中的電勢差呈周期性變化。在短路條件下，交變電流流經負載，以達到兩個電極之間的靜電平衡。

它有四種基本模式：a）垂直接觸-分離模式；b）橫向滑動模式；c）單電極模式；d）自支撐摩擦電層狀模式（如圖1所示）。

圖1 摩擦電納米發電機的四種基本模式及相應器件

1.2 摩擦納米發電機和自供電電化學系統的研究進展

自2012年以來，四種不同模式的TENGs和以此為基礎的自供電電化學系統得以發展。研究進展主要有以下幾個方面：第一，為利用不同的機械源和滿足不同的實際應用，設計了各種各樣的結構，包括彈簧支撐型、拱狀、鋸齒狀、光柵結構、多層結構等。第二，為收集各種能量來源，包括人體運動、發動機轉動、風能、水能等，設計了不同的自供電系統。第三，多種基于TENGs的應用被報道，尤其是自供電的傳感器，它主要可以分為兩類：物理傳感器和化學傳感器。

表1 自供電的電化學系統中摩擦納米發電機的材料和性能

注：表中Isc表示短路電流，Voc表示開路電壓。

圖2 近三年來TENGs和自供電的電化學系統的研究進展總結。圖中的平行四邊形是由兩個中心對稱的直角三角形組成，它們分別代表了理論的發展是從底層到高處，以及應用逐漸擴展。中間部分是納米發電機的發展路線圖及其應用（2013–2022年）。

1.3 摩擦納米發電機的性能評價標準

盡管TENGs具有豐富的選擇材料、可擴展性、能量轉換效率高、高輸出等優點，但之前沒有一個統一的標準來評價基于多種模式多種結構的TENGs的性能。訾云龍博士等通過解析式計算和有限元模擬得出了TENGs的結構品質因數，提出將品質因數（figure-of-merit，FOM）作為TENGs的性能評價標準，這為從結構上和材料上評價摩擦納米發電機提供了標準方法。

圖3 TENGs性能評價的標準和品質因數（FOMs）。
a-d）垂直接觸-分離模式、橫向滑動模式、單電極接觸結構和滑動SFT結構的FOMs；e）與固體鎵或鎵銦錫合金接觸的不同材料所測量的絕對電荷密度。

Part 2 自供電電化學系統

2.1 自供電的水分解和海水淡化

水分解過程通常需要一個外部輸入電源來使得電極中的半反應得以進行。目前，水分解的輸入能量主要來源于太陽能、化學和熱能。由于環境機械能的通用性，基于TENG的自供電電化學系統被認為是能為水分解提供電源的實用能量來源，如圖4中a-f是可用于水分解的自供電電化學系統裝置示意圖及相應的性能測試。

圖4 可用于水分解和海水淡化的自供電電化學系統

考慮到水資源的短缺，海水淡化是實現水資源可持續供給的一種很有前景的技術。研究人員通過將一個圓盤狀TENG和電滲析槽組裝起來，發明出一種新型海水淡化裝置，如圖4g所示。這種TENG可產生強大的輸出電流，鹽溶液在16 h后可淡化成飲用水（如圖4h所示），且淡化比例可達98.3%。

2.2 自供電的空氣污染與水污染治理

隨著污染的日益加劇，尋找創新、高效、低成本的污染控制方法備受關注。電化學處理是控制空氣和水污染的最重要方法之一。然而，該方法通常需要外部能量，這使得該方法變得昂貴和不可行。隨著TENG輸出性能的不斷提高，一些可用于空氣污染和水污染治理的自供電電化學系統被開發（如圖5所示）。

圖5 可用于空氣污染和水污染治理的自供電電化學系統。
a-d）SO2除去裝置的工作原理及性能測試；
e-j）自供電的苯酚（ef）、甲基橙（gh）降解系統和重金屬離子清洗系統的示意圖及性能測試；
k-o）自供電的水污染治理系統及性能測試。

2.3 自供電的抗腐蝕保護

金屬腐蝕在我們的日常生活中十分普遍，全世界每年因金屬腐蝕造成的損失達數十億美元。因此，金屬的抗腐蝕保護對經濟發展具有重要意義，并引起了研究人員的廣泛關注。陰極保護是延緩金屬腐蝕的一種傳統方法，它可以通過犧牲陽極或加外部直流電流來實現。然而，理想的陰極保護系統應實現持續的自供電，因為傳統的方法會造成高能耗或更嚴重的環境污染。為解決該問題，研究人員通過將新型TENG與抗腐蝕保護裝置整合，開發了一些自供電抗腐蝕保護系統（如圖6所示）。

圖6 可用于抗腐蝕保護的自供電電化學系統

2.4. 自供電的電致變色反應

電致變色反應是電致變色材料在被注入電荷激發時顯示出可逆光學狀態的電化學氧化還原反應。高度集成和多功能的電致變色器件在我們的日常生活中越來越普遍，然而傳統能源阻礙了這些電子系統的可持續、獨立的運行。TENG可以將機械能轉化成電能，通過結構和材料優化，其性能有了很大的提高。自供電技術提供了一個可行的可持續供電方案，但自供電系統還需要提高俘能器的轉換效率和負載的使用效率。

圖7 可用于電致變色反應的自供電電化學系統

2.5 用于微細電化學加工的自供電電沉積與陽極氧化

微細電化學加工已成為機器加工難制備材料和產生復雜微小圖案的一種新方法。電沉積和陽極氧化通常被用于微細電化學加工；然而，外部電流的必要限制了其在許多應用中的發展。TENG作為一種很有前景的能量收集技術，也被應用在該自供電電化學系統中，其制備工藝簡單、穩定性好、成本低。

圖8 可用于微細電化學加工中電沉積和陽極氧化的自供電電化學系統

2.6 自供電的電化學有源傳感器

實現自供電傳感器一般有兩種方法：一是發展環境能量采集裝置來驅動傳統的傳感器；二是設計一種能響應外界環境刺激并自動產生電信號的新型自供電有源傳感器。在TENG的基本工作原理中，當所有其他條件保持不變時，所產生信號的振幅和摩擦電荷密度成正比。摩擦電荷密度很大程度上受到某些化學分子的表面改性或環境因素的影響，因此可以開發出基于TENGs的自供電的電化學有源傳感器。

圖9 自供電的電化學有源傳感器。
a）TENG在汞離子檢測中的靈敏度和選擇性；
b）自供電的摩擦電納米傳感器（TENS）對多巴胺濃度檢測的靈敏度；
c）由TENG充電的電池供電的葡萄糖傳感器的響應曲線；
d）自供電呼吸分析儀在飲酒者吹氣時產生的電壓信號。

Part 3 用于自供電電化學能量轉換與利用的自充電電源系統

3.1 超級電容器集成的自供電系統

如上所述，TENGs可將各種機械能收集并轉換成電能。然而，在一些實際應用中，具有光滑、規則的輸出曲線的直流電源是非常理想的自充電供電系統。超級電容器（SC）是電化學儲能器件，具有功率密度高、壽命長的優點，但是運轉時間很短。然而，當與TENGs結合時，它可以存儲由TENGs產生的不規則脈沖電流，并提供一個穩定連續的電流輸出。因此，TENG和SC的缺點都得以克服，且實現了兩者的優勢互補。

圖10 超級電容器集成的自充電電源系統。
a）自充電織物的等效電路和自充電的梭織紡織品的照片，放大的圖是兩條黑色的線狀超級電容器（SCs）；b）纖維超級電容器-纖維基摩擦納米發電機（FSC-FTENG）電源系統的電路圖和結構；c）柔性自充電電源裝置（SCMPU）在放電模式下的的電路圖和結構；d）含TENGs和SCs的自充電電源系統的電路圖和組裝流程。

3.2 可為鋰離子電池充電的柔性電源裝置

在可再生能源技術的發展過程中，先進的能量收集和能量存儲技術一直是最核心的部分。然而，目前這兩者都存在局限性，例如存在俘能器的輸出功率不穩定、電池的壽命有限等問題，無法成為可持續的、自給自足的、便攜式的能量來源。于是，最近發明的TENG成為了一個有效、有前景的技術，鋰離子電池也是能量儲存的最有效方法之一。利用這兩種技術的優勢來設計可持續的自供電系統是一個非常有前途的研究領域。

圖11可為鋰離子電池充電的柔性電源裝置。
a）拱狀TENG示意圖和其在開關模式的電路原理圖；b）柔性自充電電源系統的結構示意圖；c）由含TENG的布料在1μA下充電和恒流放電（GD）3次的鋰離子電池（LIB）帶狀物的電壓分布，及自充電電源系統的光學圖像和等效電路；d）TENG和變壓器、整流器組成的自充電電源系統的等效電路，及其加載外部電阻后電流與功率的關系，變壓器匝比對相應阻抗和能量利用率的影響。

Part 4 總結與展望

能源危機是我們現在和未來必須面對的全球性問題。當然，很多可再生能源如風雨、潮汐、波浪、太陽能和地熱能等，都是可以利用的，所以關鍵問題在于如何實現這些可再生能源的轉化和利用。在這種情況下，TENG正在成為一種革命性的發電技術。TENGs的發展趨勢是可持續性、柔性、高效、低成本以及環保型設計，將用來建立可用于超靈敏傳感器、微機電裝置、可穿戴電子、環保與新能源技術等方面的自供電系統。

隨著TENG在微型電源和自供電系統等便攜式設備上的發展，TENG作為超大規模電源的時代即將到來。一滴水的力量雖小，但海洋能源十分巨大，具有容量高、規模大、對環境條件的依賴性較小等卓越優勢。然而，由于缺乏可用的能量收集技術，這種寶貴的能源在很長一段時間內無法被使用。自2013年起，研究人員陸續設計出一些新穎的基于TENGs的收集裝置原型，從而創造了利用這種巨大的“藍色能源”的可能性，如圖12所示。

圖12 基于TENGs的自供電能量轉換系統在“藍色能源”收集中的應用

最后，作者提出要實現TENGs的工業化仍然需要解決以下幾點問題：
1）進一步研究摩擦起電的基本機制，從而理解電荷轉移過程，完善有關TENG的基本理論。在理論指導下，優化結構設計和使用材料，以提高TENG的能量轉化效率、輸出穩定性和持續性。
2）進一步開發基于TENG的集成系統，從而制造多功能儲能器件、自供電的未來便攜式電子設備和自供電的傳感器網絡。
3）進一步實現對氣流、雨滴、海浪等大功率源的能量轉換和利用。

王中林教授簡介：

王中林教授現為中國科學院北京納米能源與系統研究所首席科學家和首任所長，佐治亞理工學院校董、終身教授，歐洲科學院院士、中國科學院外籍院士、中組部“千人計劃”頂尖人才與團隊入選者、美國物理學會fellow、科學發展協會(AAAS) fellow、材料學會 fellow、顯微學會fellow、英國皇家化學學會fellow。在國際一流刊物上發表了1050余篇論文，其中16篇發表在《Science》和《Nature》上，13篇發表在《Nature》子刊上，擁有200余項專利。學術論文已被引用85,000次以上，論文H指數153。世界上在材料和納米技術論文引用次數最多的前五位作者之一，在當今世界最杰出的科學家排名榜上第25名。（通訊作者信息來源于中科院北京納米能源與系統研究所網站）

文獻鏈接：Triboelectric Nanogenerators Driven Self-Powered Electrochemical Processes for Energy and Environmental Science (Adv. Energy Mater., 2016, DOI: 10.1002/aenm.201600665）

本文由材料人編輯部學術組Sea供稿，材料牛編輯整理。

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