香港理工郝建华AFM: 基于微等离子体放电摩擦纳米发电机驱动的自供电式机械固氮

【背景介绍】

众所周知，氮是生命必不可少的组成部分。但是大气中存在的氮气由于活化能较高故不能被直接吸收利用。因此，将空气中的氮气转化为具有生物利用价值的氮化合物具有十分重要的意义。由于目前常用的氮化反应路线需要连续和巨大的能量输入，从而进一步加剧了能源的短缺。而且, 常用的反应路线同时存在着仪器制作复杂、成本高、携带不便等问题。最近，摩擦纳米发电机（TENG）作为一种将机械能转化为电能的新技术被广泛关注。因为TENG具有器件结构简单、易于制备、材料选择范围广等优势。此外，TENG的固有高电压和低电流输出特征适合于在大气环境下诱导微等离子体放电，有利于克服传统基于电弧固氮能源供应中的缺陷。所以将TENG作为高电压源以驱动基于微等离子体放电形式的固氮是一种可行且有吸引力的策略。然而，目前很少报道TENG直接驱动大气微等离子体放电进行固氮应用。同时当前的TENG要作为稳定的高压电源通常需要较苛刻的操作条件。因此，开发具有操作简便和结构简单的高压TENG，以满足进一步的广泛应用有其必要性和重要性。

【成果简介】

近日，香港理工大学的郝建华教授（通讯作者）团队报道了他们通过集成高压输出的TENG和放电反应器，构建了基于TENG驱动微等离子体放电的固氮系统。论文第一作者为黄文聪博士生。在没有辅助条件下，新型TENG能够产生大约1300 V的高电压，进而在大气环境下的反应器中引起微等离子体放电，将氮气转化为二氧化氮和硝酸。基于TENG驱动的微等离子体放电固氮系统可以作为原位氮肥供应源。总之，该研究提供了一种具有环境友好、操作灵活、安全性好、有前景的节能型大气固氮新策略。

【图文解读】

图一、TENG-微等离子体放电系统示意图
（a-b）TENG-微等离子体放电系统的示意图和照片；

（c）TENG和微等离子体放电反应器的照片；

（d）TENG-微等离子体固氮系统的工作原理示意图。

图二、高电压TENG的电性能
（a-b）TENG产生开路电压和短路电流；

（c）外部负载电阻对TENG的瞬时峰值电流和峰值功率的影响；

（d）TENG的开路电压随所用聚氨酯泡沫摩擦材料的孔径的改变；

（e）在不同摩擦层尺寸下的TENG的开路电压

（f）在7 Hz下连续工作45000周循环后，TENG的开路电压。

图三、TENG驱动的微等离子体放电表征
（a）由TENG驱动在针电极之间的微等离子体放电的照片；

（b）在TENG操作循环期间，针电极之间隙距离为0.2 mm时,针电极之间的电压和电流变化；

（c）微等离子体放电过程的Lissajous图，针电极之间隙距离为0.2 mm；

（d）在TENG操作循环期间，针电极之间隙距离为0.6 mm时,针电极之间的电压和电流的变化；

（e）微等离子体放电过程的Lissajous图，针电极之间隙距离为0.6 mm；

（f）针电极之间不同间隙距离下的放电电压和放电电流；

（g）每个微等离子体放电的释放能量和每个TENG操作循环在不同间隙距离下的平均放电能量。

图四、TENG驱动的固氮表征
（a）TENG-微等离子体氮气系统中,从N₂和O₂转化为NO₂和硝酸的示意图；

（b）TENG驱动的微等离子体放电的发射光谱；

（c）在不同采样距离下，检测到的NO₂浓度；

（d）EDKORS ADKS-1气体检测器测量NO₂浓度的示意图；

（e）微等离子体以不同的间隙距离放电产生的NO₂浓度；

（f）放电反应器中制备的硝酸溶液的拉曼光谱；

（g）在TENG-微等离子体氮气系统的不同操作时间检测到的硝酸溶液中的硝酸盐浓度。

图五、TENG-微等离子体放电型的自供电机械固氮示意图

（a-b）作为原位氮肥料供应源的TENG-微等离子体固氮系统的示意图和照片；

（c）人行走驱动下TENG产生的开路电压；

（d）制备的NaNO₃溶液的FTIR光谱；

（e）在有无添加NaNO₃的情况下，绿豆样品之间的生长速率比较。

【总结】

综上所述，作者将高电压输出TENG和微等离子体放电反应器相结合，制备了一种基于TENG驱动的微等离子体放电固氮系统。TENG可以在外界机械力刺激而不需要任何其他辅助条件下，输出约1300 V的稳定高压，并直接施加于放电反应器中的针状电极之间引发在大气环境下的微等离子体放电。作者系统地研究了间隙距离对放电过程的影响，包括放电电压、放电电流和TENG每次运行周期平均放电能量。结果表明通过利用TENG收集应力以驱动的微等离子体放电，可以成功地将空气中的氮气转化为二氧化氮、硝酸溶液等氮化合物。总之，该研究为开发一种节能、环保、灵活、安全的固氮线路提供了新思路。

文献链接：Man-Chung Wong, Wei Xu, and Jianhua Hao, Microplasma-Discharge-Based Nitrogen Fixation Driven by Triboelectric Nanogenerator toward Self-Powered Mechano-Nitrogenous Fertilizer Supplier（Adv. Funct. Mater., 2019, DOI:10.1002/adfm.201904090）

香港理工大学应用物理学系郝建华教授的课题组 (http://ap.polyu.edu.hk/apjhhao/) 在该领域工作汇总:

(1) Wei Xu, Man-Chung Wong, and Jianhua Hao*, "Strategies and progress on improving robustness and reliability of triboelectric nanogenerators", Nano Energy, 55, 203 (2019)

(2) Wei Xu, Man-Chung Wong, Qiongyu Guo, Tiezheng Jia, and Jianhua Hao*, "Healable and shape-memory dual functional polymers for reliable and multipurpose mechanical energy harvesting devices", J. Mater. Chem. A, 7, 16267 (2019).

(3) Wei Xu, Long-Biao Huang, and Jianhua Hao*, "Fully self-healing and shape-tailorable triboelectric nanogenerators based on healable polymer and magnetic-assisted electrode", Nano Energy, 40, 399 (2017).

(4) Long-Biao Huang, Wei Xu, and Jianhua Hao*, "Energy device applications of synthesized 1D polymer nanomaterials", Small, 13, 1701820 (2017).

(5) Wei Xu, Long-Biao Huang, Man-Chung Wong, Li Chen, Gongxun Bai, and Jianhua Hao*, “Environmentally friendly hydrogel-based triboelectric nanogenerators for versatile energy harvesting and self-powered sensors", Adv. Energy Mater., 7, 1601529 (2017).

(6) Long-biao Huang, Wei Xu, Gongxun Bai, Man-Chung Wong, Zhibin Yang, and Jianhua Hao*, "Wind energy and blue energy harvesting based on magnetic-assisted noncontact triboelectric nanogenerator", Nano Energy, 30, 36 (2016).

(7) Long-Biao Huang, Gongxun Bai, Man-Chung Wong, Zhibin Yang, Wei Xu, and Jianhua Hao*, "Magnetic-assisted noncontact triboelectric nanogenerator converting mechanical energy into electricity and light emissions", Adv. Mater., 28, 2744 (2016).

本文由CQR编译。

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