Joule特邀综述：摩擦纳米发电机应用于振动能采集和传感

人们的生活环境和工业生产中存在大量可以利用的机械能。自1831年迈克尔•法拉第发现电磁感应现象后，电磁感应发电机成为了目前最重要的、最广泛的机械能采集方式。摩擦纳米发电机是王中林研究组于2012年首次发明，它是继电磁发电机后把机械能转为电能的最有效方法。在由中科院文献情报中心与Clarivate Analytics公司联合面向全球发布的《2016研究前沿》报告中，摩擦纳米发电机（TENG）在化学与材料科学领域中位列Top10热点前沿第三位。

振动，是自然环境中最为常见的一种机械运动。它具有多样的形式，广泛的尺度，从人体的脉动到喉结的抖动，从家用电器的运行到轮胎在不平路面上的抖动，振动无处不在的出现在人们的生活中。在过去的几十年里面，作为一种可再生清洁能源，机械振动一直是人们进行能量采集的热点目标。不断的有新的振动能采集方式涌现，其中主要包括有基于电磁感应的，静电感应和压电效应的。但是这些工作原理，在振动能的采集和传感中，都有各自的局限性，比如说结构复杂，需要高密度的贵重材料，有的甚至需要依赖于外接电源。并且，环境中的机械振动往往处在低频范围，并且振动频率也在不断的随时间和环境的变化而改变。因此，一个好的振动能采集或传感器件往往需要在低频范围内具有好的电学输出和宽的工作带宽。根植于接触起电和静电感应现象，摩擦纳米发电机刚好在低频范围内具有优势性的电学输出。它具有简单的机械结构和多样的可设计性，使得器件在低频范围内有相对较宽的工作频带。过去5年的发展，基于摩擦纳米发电机的振动能采集，能量转换效率可以高达50%，并且在低于150赫兹的振动频率下得到了高达127赫兹的工作频带。这些优异的性能再加上成本的低廉，使得TENG在振动能采集和传感领域具有无与伦比的优势。

最近受到主编的邀请，王中林院士及其弟子陈俊博士在Cell出版社Joule上发表了题名为 “Reviving vibration energy harvesting and self-powered sensing by a triboelectric nanogenerator”的邀请综述。这篇文章不仅全面的概述和总结了基于TENG的振动能采集和自供电传感，常见的机械能采集技术的比较，而且还广泛的涵盖了TENG领域内的其他核心问题，包括材料摩擦电系数的选择和比较，纳米尺度下物理/化学的修饰，及其对器件性能的影响，常用的提高发电机健壮性的方式，以及当前TENG领域内的关键问题和对未来研究的展望。

图（1）：一张图总结当前基于摩擦纳米发电机（TENG）的振动能采集和传感。

从结构上来说，基于摩擦纳米发电机的振动能采集和传感主要依赖于弹簧，弹性塑料等其他弹性体来提供回复力以实现周期性的摩擦面的接触和分离。这些弹性体的机械力学性质很大程度上决定了TENG的频率响应。对于基于TENG的声波，人体脉冲或者其他微弱机械振动的能量采集和传感，一般是通过将环境中的振动转换成薄膜的振动来实现的。在这个过程中，如何选择薄膜的厚度和机械弹性，以及通过结构设计来减少空气的阻尼是至关重要的。

更多细节，请参见文献：

Jun Chen & Zhong Lin Wang. Reviving vibration energy harvesting and self-powered sensing by a triboelectric nanogenerator. Joule, 2017, DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.joule.2017.09.004

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