鲁东大学董君、河北大学马刚团队ACS AMI：新型液滴能采集系统，具有创纪录电压，可持续驱动电子器件

一、导读

水是地球上最大的能源载体，也是人类社会清洁和可持续能源的主要来源之一。长期以来，水能的利用一直是能源研究的焦点。然而，对于自然界中以高熵形式分散在环境中的绝大多数水能，包括雨滴能、溪流能和波浪能等，传统的水能收集技术无法对其进行有效利用。因此，这些高熵能源到目前为止大部分还处于未被开发的状态。这无疑是对大自然能量的巨大浪费。发展有效的方法来收集这些高熵水能不仅有助于社会的可持续发展，还有望满足物联网( IoT )时代对分布式能源的巨量需求。近年来发展的液滴纳米发电机（Droplet-based Nanogenerator，DNG）无疑是一种独特的高熵水能收集技术。它利用固液界面纳米尺度空间内的接触起电和位移电流，巧妙地将水滴运动产生的机械能转化成电能，因此特别适合于收集高熵水能。自问世以来，DNG技术吸引了很多关注。

二、成果

近日，鲁东大学董君课题组和河北大学马刚教授课题组合作，在中科院TOP期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上发表题为“Droplet Energy Harvesting System Based on Total-Current Nanogenerator”的工作。在该项工作中，提出了一个基于全电流纳米发电机概念的高性能DNG系统。该系统采用水电荷梭（Water-Charge-Shuttle, WCS）架构直接产生高压直流输出，并利用场效应提高摩擦电层的电荷密度，并实现该系统与太阳能板的完美契合，极大地提高了系统的输出性能。此外，该工作还报到了一个新颖的基于GDT的DC-DC Buck转换器，实现了对DNG能量输出的高效管理。最终，本工作所提出的液滴能集成系统克服了现有DNG技术的主要瓶颈，并展现出前所未有的优越性能。

图1 基于全电流纳米发电机的液滴能采集系统

三、创新点

1.提出了一种具有新型DC-DC Buck管理电路并兼容太阳能板的液滴纳米发电机系统。

2.该全电流纳米发电机系统具有易于集成、输出优异、与太阳能技术兼容以及电源管理高效等特点。

3.该系统实现了创纪录的4200 V高压直流输出，足以连续驱动商用微电子器件。

4.该系统在智能温室场景中展示了巨大应用潜力。

四、数据概览

图2  (a) DNG核心结构剖视图。(b) DNG在太阳能电池板上的物理图像、FEP摩擦电层的接触角和紫外-可见光谱表征。(c) DNG的工作机制。 (d-f）以太阳能电池板为基底的DNG与以Teflon板为基底的DNG在输出电流、开路电压和转移电荷方面的性能比较。

图3  (a-c) 集成在太阳能电池板上的DNG阵列在输出电流、开路电压和转移电荷方面的性能特征。 (d) DNG系统的开路电压，插图为测试电路图。(e) DNG系统获得的开路电压值与之前报告的开路电压值的比较。(f) DNG系统驱动1440个串联LED。(g-i) DNG系统在雨水条件下的输出电流、开路电压和转移电荷的性能表征。

图4 (a-c) 使用不同规格的GDT作为放电开关时，太阳能电池板上DNG阵列在输出电流、放电频率和电荷传输速率方面的输出特性。(d-e) DNG系统驱动960个串联LED（无GDT和有GDT作为放电开关）

图5 (a) 安装了额外电容的太阳能电池板上DNG阵列的工作循环。(b) 额外电容和GDT的不同组合对DNG系统的输出电流的影响。(c) 额外电容和GDT的不同组合对DNG系统的电荷传输速率的影响。

图6 (a) DNG驱动的自供电智能花卉温室示意图。(b) 温湿度计的持续驱动操作演示。(c) 照度仪的操作演示。(d) 蓝牙花卉监测器的操作演示。(e) 蓝牙温湿度计的操作演示。(f-i) 温湿度计、照度计、蓝牙花卉监测器和蓝牙温湿度计运行时系统的电压曲线。

五、文章总结

在该项工作中，我们基于全电流发电新理念提出了一种液滴能捕集纳米发电机集成系统，以展示在解决DNG技术实用化瓶颈方面所做的努力。DNG集成系统是组装在商用太阳能电池板上的直流DNG阵列，它采用易于扩展的液滴电荷梭直流架构,并利用场效应提高电荷密度。此外，该系统还可以与太阳能板完美整合，并配备了新型直流-直流降压转换电路。与之前的系统相比，该系统具有更加优越的输出性能。该系统的核心结构紧凑，尽管物理尺寸仅为15×12.5×0.3厘米，但是其开路电压达到创纪录的4200 V，可点亮1440盏LED，并能在24分钟内将4.7 mF的电容器充至4.5 V。此外，通过自供电智能温室应用场景进一步展示了所提出的DNG系统的巨大实用前景。这些演示包括连续驱动微电子设备、驱动环境监测器并传输无线数据以及全天候收集能量的能力。希望该工作能够激励DNG技术未来的实用化发展，从而释放高熵水能在现实世界应用中的无尽潜力。

通讯作者：

董君博士，山东省泰山学者青年专家，鲁东大学集成电路学院硕士生导师、微纳机电器件与智能系统实验室负责人。主要从事物联网时代基于微纳力电转换技术的新概念摩擦电MEMS器件与智能传感系统研究工作，致力于高熵水能捕集全电流纳米发电机开发及其在物理理论，器件架构，材料工艺，管理电路及自驱动片上集成系统技术等方面的创新研究。近五年，主持国家自然科学基金1项，以第一和通讯作者发表在Energy & Environmental Science（IF=39.7，高被引）、Nano Energy（3）、ACS AMI等高水平期刊10余篇，授权发明专利1项，出版中英文专著章节各1章。首创开发的直流液滴发电成果引起国内外同行的广泛关注、图文引用、新闻报道和追踪性研究。

朱丽丽博士，鲁东大学物理与光电工程学院硕士生导师，中国机械工程学会高级会员。主要从事高端装备润滑材料的摩擦物理化学、界面摩擦电与器件物理等摩擦学相关学科交叉研究工作。近五年，主持省部级项目2项、固体润滑国家重点实验室开放课题及市厅级项目等多个课题，以第一和通讯作者发表在Tribology International 、ACS Applied Materials & Interfaces、Applied Surface Science等高水平期刊十余篇，授权中国发明专利2项。

马刚教授，现为河北大学化学与材料科学学院博士生导师。目前主要致力于应用振动光谱和原子力显微镜等技术手段研究淀粉样自组装体系的微观结构和成核生长机制以及与液滴纳米发电机相关的固液界面结构和界面电荷转移机制。技术专长为和频振动光谱和红外光谱，曾作为第一完成人获2019年度河北省自然科学三等奖一项，获奖成果为《振动光谱在分子结构研究中的应用》。

文章详情：Li, Yuanhang, Gang Ma*, Yang Li, Jie Fu, Meishan Wang, Kuiliang Gong, Weimin Li, Xiaobo Wang, Lili Zhu*, and Jun Dong*. "Droplet Energy Harvesting System Based on Total-Current Nanogenerator." ACS Applied Materials & Interfaces. 2024, 16, 21, 27339–27351.链接：https://doi.org/10.1021/acsami.4c02607

本工作由国家自然科学基金（No. 52305601和21973024）资助完成。

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