河南大学Nano Energy: 用于摩擦纳米发电机输出能量管理和自驱动紫外光检测的空气放电式开关

【引言】

随着全球能源的快速消耗，开发新的能源受到了越来越多研究者的关注。近年来，摩擦纳米发电机(TENG)作为一项新能源技术，能够从环境和人体中收获机械能并将之转化为电能。目前，摩擦纳米发电机已经开发了多种工作模式，实现了从各类机械运动中收获机械能的目的。此外，摩擦纳米发电机已经应用于各种自供电的传感器。如紫外光传感器、气体传感器、化学传感器、声音传感器、速度传感器等。但传统的摩擦纳米发电机由于其巨大的固有阻抗以及高电压低电流的特点，给实际应用带来了挑战。开关的使用已被证明是解决这一问题的有效策略。到目前为止，开关已经应用于各种模式的摩擦纳米发电机，实现了输出性能的管理和瞬时输出功率的极大增强。然而，目前开关的触发模式多为外界机械触发或电路触发，必须精心设计，以配合摩擦纳米发电机的运动和输出，这使得摩擦纳米发电机的制备更加复杂。因此设计一种无需外部机械触发或电路触发的自驱动开关，对于发展低成本、高效率的摩擦纳米发电机具有重要的意义。

【成果简介】

近日，河南大学特种功能材料教育部重点实验室程纲博士在Nano Energy上发表了题为“The Triboelectric Nanogenerator with a Self-Powered Air Discharge Switch for Output Power Management and UV Light Photodetector”的文章。报道了一种自驱动空气放电开关式摩擦纳米发电机（TENG-ADS），并将之应用于紫外光检测。该空气放电式开关由两个放电电极组成，只有当摩擦纳米发电机的电压高到足以引起空气放电时，开关才会闭合，并产生瞬时脉冲输出。通过调节两个放电电极之间的距离（d）可以改变开关的工作模式：弧光放电和电晕放电。在电弧放电模式下，摩擦纳米发电机的输出性能得到了极大地提高。此外，在一定的紫外光强度范围内，紫外光的照射可以改变开关的工作模式和TENG-ADS的输出电流。以此为基础，本篇工作研制了一种自驱动的紫外光检测器。其光电开关比达到了18.6，最低可检测的紫外光强度为26.2 μW /cm²。该项工作的第一作者为河南大学程纲博士，河南大学杜祖亮教授、佐治亚理工学院王中林院士是本文的共同通讯作者。

【图文导读】

图1. TENG-ADS的工作原理示意图

(a-d) 空气放电开关在电弧放电模式下的工作原理示意图；

(e-h) 空气放电开关在电晕放电模式下的工作原理示意图。

图2. 不同d下，TENG-ADS的输出电压、电流曲线

(a) d=0时，TENG-ADS的输出电压、电流曲线；

(b) d=0.03 mm时，TENG-ADS的输出电压、电流曲线；

(c) d=0.03 mm时，TENG-ADS的输出电压、电流曲线的放大图；

(d) d=0.2 mm时，TENG-ADS的输出电压、电流曲线；

(e) d=0.6 mm时，TENG-ADS的输出电压、电流曲线；

(f) d=0.72 mm时，TENG-ADS的输出电压、电流曲线；

(g) d=1.10 mm时，TENG-ADS的输出电压、电流曲线；

(h) d=5 mm时，TENG-ADS的输出电压、电流曲线；

(i) d=20 mm时，TENG-ADS的输出电压、电流曲线。

图3. TENG-ADS的输出性能和d的关系

(a) TENG-ADS的输出电流峰值和d的关系；

(b) TENG-ADS的输出功率峰值和d的关系；

(c) TENG-ADS一个周期内的输出能量和d的关系；

(d) TENG-ADS的转移电荷量和d的关系。

图4. TENG-ADS的输出性能和负载的关系

(a) d =0.20 mm时，TENG-ADS在不同负载下的输出电流曲线；

(b) 当d分别为0.20 mm 、5 mm、0时，TENG-ADS的输出电流峰值和负载的关系；

(c) 当d分别为0.20 mm 、5 mm、0时，TENG-ADS的输出电压峰值和负载的关系；

(d) 当d分别为0.20 mm 、5 mm、0时，TENG-ADS的输出功率峰值和负载的关系；

(e) 当d分别为0.20 mm 、5 mm、0时，TENG-ADS一个周期内的输出能量和负载的关系。

图5. TENG-ADS作为自驱动紫外光检测器的性能测试

(a) 当紫外光被开启或关闭多个周期时，TENG-ADS的输出电流曲线；

(b) 紫外光照射下，空气放电开关的工作模式从电弧放电转变为电晕放电的原理示意图；

(c) 光电开关比和d的关系；

(d) 光电开关比和光照强度的关系。

【小结】

本文研制了一种自驱动空气放电式开关。该开关只有当摩擦纳米发电机的输出电压高到足以引起空气放电时才会闭合，并产生电学输出。随着两个放电电极之间距离的增加，开关从电弧放电模式转变为电晕放电模式。在电弧放电模式下，TENG-ADS的电压、电流、功率、能量等电输出参数随d的增大而增大；而在电晕放电模式下，这些参数随d的增大而减小。当外部负载电阻小于2 MΩ时，通过使用电弧放电模式的开关，摩擦纳米发电机的输出功率峰值和一个周期内的输出能量分别提高了1600和31倍。此外，由于紫外光的照射可以改变空气放电开关的工作模式，所以据此研制出了一种自驱动的紫外光检测器。本篇工作为摩擦纳米发电机的输出能量管理提供了新的思路，并在自供电传感器方面具有良好的应用前景。

文献链接： Managing and Maximizing the Output Power of a Triboelectric Nanogenerator by Controlled Tip-electrode Air-Discharging and Application for UV Sensing(Nano Energy, 2017, doi: 10.1016/j.nanoen.2017.11.062).

作者简介

程纲，男，1978年生，博士，教授，博士生导师，国家优秀青年基金获得者，河南省高校创新团队带头人，河南省科技创新杰出青年，河南省学术技术带头人。2003年起，在河南大学特种功能材料教育部重点实验室工作，2013-2016年在佐治亚理工学院做访问学者，从事纳米结构与光电器件的研究。在ACS Nano、Adv. Mater.、Nano Energy、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Angew. Chem.、Appl. Phys. Lett.等期刊发表SCI论文40余篇。主持国家自然科学基金3项，获得河南省科技进步二等奖2项。主要研究方向有：纳米结构与光电器件，纳米发电机，自驱动传感器等。Email：chenggang129@126.com; chenggang@henu.edu.cn

本文由河南大学程纲教授课题组提供，在此表示感谢。

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