兰州大学秦勇团队Nature子刊:创纪录！高性能温差驱动摩擦纳米发电机

【引言】

基于机械能向电能转化过程中的摩擦起电与静电感应效应耦合，摩擦电纳米发电机（triboelectric nanogenerator, TENG）已成功用于机械能量收集和自供电传感器。为了获得更高的电输出性能，研究者已经做了很多工作，包括材料选择，结构优化，耦合表面极化和真空中的滞后介电极化。同时输出性能与材料、结构、摩擦面积、表面电荷密度、外力、工作频率等之间的关系也被深入研究。此外，通过采用铁电材料并调节介电常数，更容易地获得/损失电荷，最大电流密度已提高至350 μA cm^-2。除了室温外，TENG在某些特定应用中还需要在高温下工作。但是，当TENG的工作温度高于260 K时，其输出性能显著降低，其原因在于摩擦材料的温度将影响电子的存储和耗散。研究表明，摩擦层温度的升高会增加摩擦层的电子热电子发射能力，从而降低摩擦层的电荷存储能力，导致TENG输出较差。因此，两个摩擦层之间的温差是影响TENG输出的一个非常重要且复杂的因素，同时利用实际应用条件下的温差来提高TENG的输出也是非常重要的，但实现其优异的电输出性能仍然面临着巨大的挑战。

近日，兰州大学秦勇教授团队（通讯作者）从理论上研究了高温和温差对TENG的影响，并给出了提高TENG输出的最佳摩擦层之间的温差。具体而言，结合摩擦带电的电子-云势阱模型和热电子发射模型，设计和制备了一种具有摩擦层温度可控的TENG（TDNG），以将TENG的输出性能提高到更高的记录。同时，随着较热和较冷摩擦层之间的温差( ΔT )从0 K增加到219 K，TDNG的电输出性能先增加然后降低。在最佳温度∆T(~145 K)下，开路电压为858 V，短路电流为20μA，表面电荷密度为58.8 μCm^-2和输出功率为206.7 μW，其分别是∆T为0 K时输出值的2.7、2.2、3.0和4.9倍。此外，通过进一步优化TDNG的摩擦材料，电流密度提高到443 μA cm^-2，比记录值（350 μA cm^-2）提高了26.6% 。相关研究成果以“High performance temperature difference triboelectric nanogenerator”为题发表在Nature Commun.上。

【图文导读】

图一、不同摩擦层之间的温差对TENG性能的影响（a）ΔT对电荷转移和耗散的影响；

（b）ΔT与短路转移电荷密度关系的数值模拟；

（c）TENG在不同ΔT条件下的潜在分布；

（d）冷却摩擦层的导热系数对T_c的影响；

（e）较冷摩擦层的导热系数对表面电荷密度的影响。

图二、TDNG的设计和输出性能（a）TDNG的示意图；

（b）不同ΔT条件下TDNG的开路电压；

（d）不同ΔT条件下TDNG的短路电流。

图三、ΔT对TDNG影响的表征（a）短路条件下TDNG每个循环（CQC）转移电荷量与ΔT的关系；

（b）不同ΔT下，摩擦后Kapton的热刺激放电电流；

（c）不同ΔT下，摩擦后Kapton的表面电位。

图四、ΔT对具有不同摩擦材料的TDNG影响

（a）当ΔT分别等于0K和145K时，不同外部电路负载电阻下的TDNG的输出电压和电流；

（b）当ΔT分别为0K和145K时，不同外部电路负载电阻的TDNG的输出功率；

（c，d）当ΔT=0K和最佳ΔT时，不同摩擦材料的开路电压和短路电流；

（e，f）在ΔT=90下，Al-PTFE TDNG的开路电压和短路电流密度。

图五、由风驱动的TDNG在高温物体表面工作的示意图（a）风驱动的TDNG的光学图像；

（b）在风下工作的风驱动的TDNG光学图像；

（c）955个白色LEDs在~8.3 ms^-1的风驱动TDNG下照明；

（d）不同ΔT下风驱动TDNG的开路电压和短路电流；

（e）不同ΔT下，0K、21K和41K 22μF电容器的充电曲线；

（f）发光指示灯用于温差指示；

（g）由风驱动的TDNG的温度传感器的光学图像。

【小结】

综上所述，本文通过摩擦带电的电子-云势阱模型和热电子发射模型相结合的模拟研究了温差对TENG性能的影响，并设计并制造了一种摩擦层温度可控的TENG，以提高电气输出性能。随着温差的增加，由于电子从较热的摩擦层转移到较冷的摩擦层，TDNG的输出先增加然后减少。在最佳∆T下, Al-Kapton TDNG的开路电压、短路电流、表面电荷密度和输出功率比∆T等于0 K时增加了2.7，2.2，3.0和4.9倍。同时，摩擦的构造层温差可以扩展到其他TENG以提高它们的输出。此外，将摩擦材料从Al-Kapton改为Al-PTFE，TDNG的电流密度进一步提高到443 μA cm^-2，是记录值（350 μA cm^-2）的1.26倍。最后文章通过一个风力驱动的TDNG被证明可以为955个LEDs和一个温度传感器供电，以展示其在温差环境中有前景的应用。

文献链接：“High performance temperature difference triboelectric nanogenerator”(Nature Commun.，2021，10.1038/s41467-021-25043-2)

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