摩擦纳米发电机（TENG）未来可期吗？

TENG介绍：

摩擦纳米发电机作为一种能量产生单元，在其内部的电路中，由于摩擦起电效应，两个摩擦电极性不同的摩擦材料薄层之间会发生电荷转移而使得二者之间形成一个电势差；在外部电路中，电子在电势差的驱动下在两个分别粘贴在摩擦电材料层背面的电极之间或者电极与地之间流动，从而来平衡这个电势差。摩擦纳米发电机的动力源既可以是已被人们认识的风力、水力、海浪等大能源，也可以是人的行走、身体的晃动、手的触摸、下落的雨滴等从没被人们注意过的环境随机能源，还可以是车轮的转动、机器的轰鸣等。

发展历程：王中林院士2006年首次发明了压电纳米发电机，2007年成功首次研发出由超声波驱动的可独立工作的直流纳米发电机，2008年研发出可以利用衣料来实现发电的“发电衣”的原型发电机。2012年研发成功摩擦纳米发电机。压电纳米发电机的原理是利用压电效应所产生的电场来驱动外电路电子的瞬时流动。摩擦纳米发电机的原理是利用摩擦起电和静电感应效应的耦合，同时配合薄层式电极的设计，实现电流的有效输出，其结构非常简单、轻巧，用来产生摩擦并形成电流向外输出的基本元件，都是仅有微米级厚度的薄膜材料，并由此使得整个器件具备了柔软甚至可以透明的特性。目前按照其工作模式主要分为4种形式，分别是：垂直接触-分离式、滑动式、单电极式和独立式。

近期文章：

AEM：离实现自驱动柔性健康监测系统还有多远

随着柔性电子技术和传感技术的迅速发展，通过一种非常轻而柔软的附着在皮肤上的装置，可以检测各种人体生命体征和生物标记物。为了支持这种传感装置的多参数跟踪和连续运行，需要一种体积小、可移动、具有高能量密度和自充电能力的强大的能源供应单元。最近出现的能量收集设备展示了利用环境和基于人类的能源为传感器系统供电的潜力。在此背景下，香港中文大学Ni Zhao教授探讨了当前的柔性能源设备的容量是否可以满足长期健康监测应用中无线柔性传感器系统的能源需求。首先，通过分析相关系统每个构造块的能耗来估算典型传感器系统的总能量需求。通过将电池/超级电容器作为能量存储单元并将光伏，热电，压电和摩擦电设备作为能量收集单元来讨论能量供应体系结构的设计。根据分析，提出了可以通过自供电系统设计轻松实现的健康监控协议，并确定了进一步开发实际应用技术的核心挑战。相关研究以“How Far Are We from Achieving Self-Powered Flexible Health Monitoring Systems: An Energy Perspective”为题目，发表在AEM上。DOI: 10.1002/aenm.202002646

图1 用于监测各种生理信号的自驱动无线柔性传感器系统的能量供需示意图

AFM：基于摩擦纳米发电机和介电弹性体的可擦写盲文显示系统

盲人主要依靠盲文书籍来获取文本信息。然而，内容一成不变的盲文书籍既笨重又不方便阅读。因此，寻找一种安全、简单、有效的方法来开发新的盲文装置是十分必要的。这种先进的方法有望成为可刷新、灵活、便携的下一代盲文书。为此，近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所李舟、陈翔宇研究员等设计了一种由摩擦电纳米发电机驱动的安全介电弹性体盲文装置。它制作简单，价格便宜，安全，对盲人没有任何潜在的危险。研究者通过优化器件设计，使TENG产生3000多伏的电压，其短路电流仅为微安级，不会对人体产生任何危害，可驱动介电弹性体薄膜，使其发生形变，并成为可触摸的盲文触点。此外，设计了一种程控开关矩阵，通过多个介电弹性体点来控制盲文装置，实现复杂的可刷新显示，为不久的将来为盲人提供一种页面大小的便携式盲文电子书提供了可能。相关研究以“Refreshable Braille Display System Based on Triboelectric Nanogenerator and Dielectric Elastomer”为题目，发表在AFM上。DOI: 10.1002/adfm.202006612

图2 可刷新盲文显示系统的设计

Nano Energy：仿生透明和抗菌电子皮肤敏感的触觉感知

摩擦电子皮肤由于具有自供电的特性，近年来受到越来越多的关注。广泛使用复杂苛刻的技术来创造高比表面积，以提高触觉感知的灵敏度。利用高效、简便的方法制备分层微纳米结构仍然是一项艰巨的任务。此外，关于电子皮肤与人体长时间接触细菌生长的问题，鲜有报道。这里东华大学丁彬、李召岭教授等人报道了一种柔性、透明和抗菌的摩擦电子皮肤，用于敏感的触觉感知。受玫瑰花瓣微结构的启发，开发了一种特殊的“复制”方法，以制备均匀、分层的纳米微结构传感层，避免了玫瑰花瓣结构的多样性和异质性。当与基于纤维的导电网络和抗菌基底结合时，这种高度形状自适应的电子皮肤可以匹配地附着在任何曲面上，并实现距离分辨率、多触觉感知和实时轨迹识别功能。这项工作对多功能电子皮肤的发展具有重要的意义，具有良好的实用性。相关研究以“Bioinspired transparent and antibacterial electronic skin for sensitive tactile sensing”为题目，发表在Nano Energy上。DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.105669

图3 电子皮肤结构与功能设计

Nat. Sustain.：一种高效的摩擦电负离子空气离子发生器

空气负离子(NAIs)已广泛应用于最近的空气污染物清除技术及其对人类健康的有益影响，包括过敏缓解和神经递质调节。在此，北京纳米能源与纳米系统研究所王中林教授联合乔治亚理工学院Vincent K. S. Hsiao 教授等人报告一种电晕型，机械刺激摩擦电NAI发生器。利用摩擦电纳米发电机的高输出电压，空气分子可以通过各种运动从碳纤维电极上局部电离，电子-离子转换效率高达97%。在实验中发现，摩擦纳米发电机在一个滑动周期中，实际测试产生了约2×10¹³个数量的空气负离子。值得注意的是，在一个约5086 cm³的腔体内，0.25 Hz的滑动频率下，PM 2.5在80 s内可以从999 ug m^-3快速降至0 ug m^-3。这种摩擦电NAI发生器简单，安全和有效，提供了一个有吸引力的替代选择，可持续的途径，以改善健康和贡献更清洁的环境。相关研究以“A highly efficient triboelectric negative air ion generator”为题目，发表在Nat. Sustain.上。DOI: 10.1038/s41893-020-00628-9

图4 摩擦电空气负离子发生器原型

Materials today：基于液态金属摩擦纳米发电机的3D 加速度传感器的车辆约束系统

车辆约束系统在事故发生时对限制乘客伤害起着不可替代的作用，其中3D加速度传感器(AS)是检测碰撞位置和作用力的重要部件。然而，商用传感器存在被动式传感、灵敏度低、制造成本高等缺陷。在这里，王中林教授联合西南交通大学报道了一种基于液态金属摩擦电纳米发电机(LM-TENG)的轻型、高灵敏度、低成本和自供电的3D AS。考虑到电极的编码策略，与目前报道的自供电AS相比，3D AS保留了最小的尺寸、最小的重量和最高的集成度。所制备的传感器水平方向的探测范围为0 ~ 100 m/s²，垂直方向的探测范围为0 ~ 50 m/s²，灵敏度为800 mV/g。连续运行10万次后，开路电压下降幅度可忽略不计，具有良好的稳定性和耐久性。此外，3D AS作为安全气囊系统的一部分，可以同时识别汽车的碰撞位置和碰撞力。这项工作将进一步推动基于TENG的传感器的商业化，并展示在汽车约束系统中的应用前景。相关研究以“All-in-one 3D acceleration sensor based on coded liquid–metal triboelectric nanogenerator for vehicle restraint system”为题目，发表在Materials Today上。DOI:10.1016/j.mattod.2020.10.031

图5三维加速度传感器的全空间加速度测量及其在汽车安全约束系统中的应用

Nano Energy：基于褶皱PDMS/MXene复合薄膜的柔性超灵敏摩擦电触觉传感器用于电子皮肤

基于触觉传感器的电子皮肤(E-skin)在监测日常健康状况和人工智能(AI)方面发挥着重要作用。对人体皮肤的高灵敏度和高柔韧性要求很高。哈尔滨工业大学张化宇、Gui-Gen Wang教授联合北京纳米能源与纳米系统研究所杨亚研究员利用紫外臭氧(UVO)辐照制备了一种柔性的 PDMS /MXene复合薄膜，构建自供电触觉传感器。该器件的最佳灵敏度分别在10~80 Pa时达到0.18V/Pa，在80~800 Pa时达到0.06V/Pa，高于大多数其他自供电式触觉传感器。利用COMSOL仿真软件结合理论分析，说明了在低压和高压下不同的灵敏度与皱纹有关。我们的触觉传感器在监测复杂的人体生理信号和模拟人体触觉方面显示出良好的应用前景。相关研究以“A flexible ultra-sensitive triboelectric tactile sensor of wrinkled PDMS/MXene composite films for E-skin ”为题目，发表在Nano Energy上。DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.105663

图6 基于褶皱PDMS/MXene复合薄膜的摩擦电触觉传感器

AFM：基于可伸缩，可清洗，超薄摩擦电纳米发电机的高敏感，自驱动触觉传感器

随着多功能可穿戴电子产品的蓬勃发展，灵活、可持续和可穿戴电源面临着巨大的挑战。王中林教授团队报道了一种可拉伸、耐清洗且超薄仿造皮肤的摩擦纳米发电机（SI-TENG），其可以收集人体运动能量，并作为一种高度敏感的自供电触觉传感器。材料和结构优化后的SI-TENG，具有可拉伸性高（800％）、超薄（89 µm）、轻便（0.23 g）等优点，其能与人体皮肤很好的相适应，且不影响人体皮肤接触。由银纳米线(AgNWs)与热塑性聚氨酯均匀缠绕而成的可拉伸复合电极(TPU)纳米纤维网络是通过TPU同步静电纺丝和AgNWs电喷涂制备的。面积为2×2 cm²的SI-TENG，在施加力为8 N和1 Hz的负载频率时，其开路电压（Voc）、短路电流（Isc）和功率密度可以分别达到95 V、0.3 µA和6 mWm^-2。通过集成信号处理电路，SI-TENG具有出色的能量收集和自供电传感能力，被证明是一个触觉传感器阵列，以检测人类的行为。SI-TENG在人机界面和安全系统领域有着广泛的应用。相关研究以“Stretchable, Washable, and Ultrathin Triboelectric Nanogenerators as Skin-Like Highly Sensitive Self-Powered Haptic Sensors”为题目，发表在AFM上。DOI: 10.1002/adfm.202005584

图7 单电极超薄可拉伸的SI-TENG结构设计

AEM：一种新型的MXene/Ecoflex纳米复合材料涂层织物，作为高输出摩擦电纳米发电机的摩擦层

摩擦电材料的性能和接触层的机械稳定性是实现持久的、具有高输出性能的摩擦电纳米发电机(TENGs)的关键。韩国光云大学Jae Yeong Park教授团队介绍了一种新型的MXene/Ecoflex纳米复合材料，由于其具有很高的负摩擦电性和机械稳定性，是一种很有前途的摩擦电材料。基于MXene/Ecoflex纳米复合材料的防水TENG（FW-TENG），用于从各种人体运动以及自然环境(雨和风)中普遍获取能量。FW-TENG在8N的作用力下（4.5Hz），可以输出3.69mW的峰值功率（4.5兆欧的负载），峰值功率密度达到9.24W/m²。此外，还研究了该装置在各种产品中的适用性，FW-TENG可以防止因下雨和潮湿天气造成的碰撞。FW-TENG不仅具有自供电的优点和优异的机械性能，还具有非常可靠和稳定的抗水入侵性能，这是实现下一代可穿戴/便携技术的重要特征。相关研究以“A Novel MXene/Ecoflex Nanocomposite-Coated Fabric as a Highly Negative and Stable Friction Layer for High-Output Triboelectric Nanogenerators”为题目，发表在AEM上。DOI:10.1002/aenm.202002832

图8 自供电FW-TENG演示

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本文由Junas供稿。