河南大学程纲团队Nano Energy：大尺寸水滴摩擦纳米发电机

【引言】

随着物联网（IoT）和人工智能（AI）时代的到来，传感器和传感系统将扮演更重要的角色，并向多功能和智能化方向发展。自从王中林教授团队发明了摩擦纳米发电机（TENG）以来，它实现了从环境中收集机械能然后转化为电能的研究，并引起了极大的关注。TENG在收集低频机械能的同时具有很高的能量转换效率，然而，出于可持续目的，基于固-固接触的TENG的耐久性需要提高，因为在TENG的固-固界面上发生的摩擦非常严重，这妨碍了TENG的长期使用。最近，已经发展出基于液固接触模式的TENG，这为降低摩擦磨损、收集新型的能量形式提供了方法。但是，现有的器件制备策略具有制造过程复杂、成本高等诸多问题，限制了器件的大尺寸加工。

【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教授报道了一种具有出色性能的大尺寸水滴摩擦纳米发电机（WD-TENG），使用基于原位生长的层状双氢氧化物（LDHs）作为摩擦电层，而铝则是生长的衬底并作为电极。通过表面功能化，可提供几乎“无摩擦”的表面，获得更长的使用寿命以及更好的水能收集性能。WD-TENG是在低温下使用这种自下而上的方法构建的，具有操作简便，成本低和可扩展性的优点。这种新方法可以实现大规模的制备，作者已通过成功制造长达一米的WD-TENG进行了验证，因此对于现有WD-TENG的生产方法而言，这是一种很有前景的策略，可应用于自供电传感系统以及有助于蓝色能源梦想的实现。

研究成果以“Meter-scale Fabrication of Water-Driven Triboelectric Nanogenerator based on in-situ Grown Layered Double Hydroxides through a Bottom-up Approach”为题发表在国际著名期刊Nano Energy上。该项工作的第一作者为河南大学崔鹏博士和博士研究生王京京，程纲教授和杜祖亮教授是本文的共同通讯作者。

【图文导读】

图一： LDHs作为摩擦层的原位生长过程示意图以及表面改性前后的形貌表征。

a.在铝基板的腐蚀过程中原位生长LDHs；经过表面改性获得了超疏水摩擦层。 b，d分别是在铝基板上生长的LDHs的SEM和AFM图像。 c，e分别是在铝基板上表面改性的LDH的SEM和AFM图像。

图二：

a. 制备的长达一米的WD-TENG及b. 六个不同区域的SEM图像，这些区域是从WD-TENG的六个不同位置（以绿色方块标记）随机选择的。c. 水滴（R₀≈3mm）在WD-TENG上的回弹实验。

图三： WD-TENG从水滴收集能量的示意图及发电过程的仿真模拟。

a. 基于LDH改性的WD-TENG从水滴收集能量的工作原理图。b，c，d，e为当水滴接近WD-TENG的表面时，模拟动态过程的相应电势分布。

图四.：WD-TENG的输出性能：

a. 输出电压和b. 电流密度和c. 转移电荷；d. WD-TENG的稳定性测试；e. 耐酸耐碱稳定性测试；f. 基于WD-TENG的自驱动流速计。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104646

【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Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Nano Energy, ACS Nano, Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Appl. Phys. Lett.等期刊发表论文50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：摩擦纳米发电机、自驱动传感器、纳米结构与光电器件等。

Email: chenggang@henu.edu.cn