Adv. Energy Mater. 王中林教授关于摩擦纳米发电机的最新综述

材料牛注：你有没有想过拥有一部永远不用充电的手机？你有没有想过通过说话就能点亮一束花朵？你有没有想过植入人体的多功能微纳元件可以永不断电？……科学家王中林发明的摩擦纳米发电机给我们带来了未来生活空间的无限畅想！

近日，北京科技大学王宁（通讯作者）和美国佐治亚理工学院王中林（通讯作者）等人发表了一篇题为“摩擦纳米发电机驱动的自供电电化学过程在能源与环境科学中的应用”的综述，介绍了TENGs用于高效能量转换和自供电的电化学系统方面的最新研究进展。这篇Review于7月29日在线发表于Advanced Energy Materials期刊上。下面让我们来一睹为快吧！

王中林纳米研究团队自2012年发明摩擦纳米发电机（TENG）以来，在有关TENG的基本机制和自驱动系统等方面取得了不少突破。TENG在微纳能量收集上有许多优势，可广泛应用于传感器、便携设备等中。

在大牛王中林研究团队的这篇最新Review中，作者主要综述了TENGs在自供电电化学系统和高效能量转换两大方面的应用，包括水分解、海水淡化、空气污染净化、有机污染物降解、重金属离子收集等。TENG驱动的自供电电化学系统可以不借助外部电源进行电化学反应，在环境科学领域有着广阔的应用前景。文章还展望了该领域的发展趋势和基本架构，并着重强调了TENGs驱动的自供电能量转换系统在“蓝色能源”中的应用。

摩擦纳米发电机（TENGs）的应用综述导览图

Part 1 摩擦纳米发电机

1.1 摩擦纳米发电机的基本模式和理论

TENGs的原理基于摩擦起电和静电感应的耦合。通常，当两种材料相互接触时，界面的某些部位形成了化学键，电荷在界面之间转移以平衡电化学势，从而产生摩擦电荷。在外力驱动下，摩擦带电的界面之间相互运动，导致TENGs中的电势差呈周期性变化。在短路条件下，交变电流流经负载，以达到两个电极之间的静电平衡。

它有四种基本模式：a）垂直接触-分离模式；b）横向滑动模式；c）单电极模式；d）自支撑摩擦电层状模式（如图1所示）。

图1 摩擦电纳米发电机的四种基本模式及相应器件

1.2 摩擦纳米发电机和自供电电化学系统的研究进展

自2012年以来，四种不同模式的TENGs和以此为基础的自供电电化学系统得以发展。研究进展主要有以下几个方面：第一，为利用不同的机械源和满足不同的实际应用，设计了各种各样的结构，包括弹簧支撑型、拱状、锯齿状、光栅结构、多层结构等。第二，为收集各种能量来源，包括人体运动、发动机转动、风能、水能等，设计了不同的自供电系统。第三，多种基于TENGs的应用被报道，尤其是自供电的传感器，它主要可以分为两类：物理传感器和化学传感器。

表1 自供电的电化学系统中摩擦纳米发电机的材料和性能

注：表中Isc表示短路电流，Voc表示开路电压。

图2 近三年来TENGs和自供电的电化学系统的研究进展总结。图中的平行四边形是由两个中心对称的直角三角形组成，它们分别代表了理论的发展是从底层到高处，以及应用逐渐扩展。中间部分是纳米发电机的发展路线图及其应用（2013–2022年）。

1.3 摩擦纳米发电机的性能评价标准

尽管TENGs具有丰富的选择材料、可扩展性、能量转换效率高、高输出等优点，但之前没有一个统一的标准来评价基于多种模式多种结构的TENGs的性能。訾云龙博士等通过解析式计算和有限元模拟得出了TENGs的结构品质因数，提出将品质因数（figure-of-merit，FOM）作为TENGs的性能评价标准，这为从结构上和材料上评价摩擦纳米发电机提供了标准方法。

图3 TENGs性能评价的标准和品质因数（FOMs）。
a-d）垂直接触-分离模式、横向滑动模式、单电极接触结构和滑动SFT结构的FOMs；e）与固体镓或镓铟锡合金接触的不同材料所测量的绝对电荷密度。

Part 2 自供电电化学系统

2.1 自供电的水分解和海水淡化

水分解过程通常需要一个外部输入电源来使得电极中的半反应得以进行。目前，水分解的输入能量主要来源于太阳能、化学和热能。由于环境机械能的通用性，基于TENG的自供电电化学系统被认为是能为水分解提供电源的实用能量来源，如图4中a-f是可用于水分解的自供电电化学系统装置示意图及相应的性能测试。

图4 可用于水分解和海水淡化的自供电电化学系统

考虑到水资源的短缺，海水淡化是实现水资源可持续供给的一种很有前景的技术。研究人员通过将一个圆盘状TENG和电渗析槽组装起来，发明出一种新型海水淡化装置，如图4g所示。这种TENG可产生强大的输出电流，盐溶液在16 h后可淡化成饮用水（如图4h所示），且淡化比例可达98.3%。

2.2 自供电的空气污染与水污染治理

随着污染的日益加剧，寻找创新、高效、低成本的污染控制方法备受关注。电化学处理是控制空气和水污染的最重要方法之一。然而，该方法通常需要外部能量，这使得该方法变得昂贵和不可行。随着TENG输出性能的不断提高，一些可用于空气污染和水污染治理的自供电电化学系统被开发（如图5所示）。

图5 可用于空气污染和水污染治理的自供电电化学系统。
a-d）SO2除去装置的工作原理及性能测试；
e-j）自供电的苯酚（ef）、甲基橙（gh）降解系统和重金属离子清洗系统的示意图及性能测试；
k-o）自供电的水污染治理系统及性能测试。

2.3 自供电的抗腐蚀保护

金属腐蚀在我们的日常生活中十分普遍，全世界每年因金属腐蚀造成的损失达数十亿美元。因此，金属的抗腐蚀保护对经济发展具有重要意义，并引起了研究人员的广泛关注。阴极保护是延缓金属腐蚀的一种传统方法，它可以通过牺牲阳极或加外部直流电流来实现。然而，理想的阴极保护系统应实现持续的自供电，因为传统的方法会造成高能耗或更严重的环境污染。为解决该问题，研究人员通过将新型TENG与抗腐蚀保护装置整合，开发了一些自供电抗腐蚀保护系统（如图6所示）。

图6 可用于抗腐蚀保护的自供电电化学系统

2.4. 自供电的电致变色反应

电致变色反应是电致变色材料在被注入电荷激发时显示出可逆光学状态的电化学氧化还原反应。高度集成和多功能的电致变色器件在我们的日常生活中越来越普遍，然而传统能源阻碍了这些电子系统的可持续、独立的运行。TENG可以将机械能转化成电能，通过结构和材料优化，其性能有了很大的提高。自供电技术提供了一个可行的可持续供电方案，但自供电系统还需要提高俘能器的转换效率和负载的使用效率。

图7 可用于电致变色反应的自供电电化学系统

2.5 用于微细电化学加工的自供电电沉积与阳极氧化

微细电化学加工已成为机器加工难制备材料和产生复杂微小图案的一种新方法。电沉积和阳极氧化通常被用于微细电化学加工；然而，外部电流的必要限制了其在许多应用中的发展。TENG作为一种很有前景的能量收集技术，也被应用在该自供电电化学系统中，其制备工艺简单、稳定性好、成本低。

图8 可用于微细电化学加工中电沉积和阳极氧化的自供电电化学系统

2.6 自供电的电化学有源传感器

实现自供电传感器一般有两种方法：一是发展环境能量采集装置来驱动传统的传感器；二是设计一种能响应外界环境刺激并自动产生电信号的新型自供电有源传感器。在TENG的基本工作原理中，当所有其他条件保持不变时，所产生信号的振幅和摩擦电荷密度成正比。摩擦电荷密度很大程度上受到某些化学分子的表面改性或环境因素的影响，因此可以开发出基于TENGs的自供电的电化学有源传感器。

图9 自供电的电化学有源传感器。
a）TENG在汞离子检测中的灵敏度和选择性；
b）自供电的摩擦电纳米传感器（TENS）对多巴胺浓度检测的灵敏度；
c）由TENG充电的电池供电的葡萄糖传感器的响应曲线；
d）自供电呼吸分析仪在饮酒者吹气时产生的电压信号。

Part 3 用于自供电电化学能量转换与利用的自充电电源系统

3.1 超级电容器集成的自供电系统

如上所述，TENGs可将各种机械能收集并转换成电能。然而，在一些实际应用中，具有光滑、规则的输出曲线的直流电源是非常理想的自充电供电系统。超级电容器（SC）是电化学储能器件，具有功率密度高、寿命长的优点，但是运转时间很短。然而，当与TENGs结合时，它可以存储由TENGs产生的不规则脉冲电流，并提供一个稳定连续的电流输出。因此，TENG和SC的缺点都得以克服，且实现了两者的优势互补。

图10 超级电容器集成的自充电电源系统。
a）自充电织物的等效电路和自充电的梭织纺织品的照片，放大的图是两条黑色的线状超级电容器（SCs）；b）纤维超级电容器-纤维基摩擦纳米发电机（FSC-FTENG）电源系统的电路图和结构；c）柔性自充电电源装置（SCMPU）在放电模式下的的电路图和结构；d）含TENGs和SCs的自充电电源系统的电路图和组装流程。

3.2 可为锂离子电池充电的柔性电源装置

在可再生能源技术的发展过程中，先进的能量收集和能量存储技术一直是最核心的部分。然而，目前这两者都存在局限性，例如存在俘能器的输出功率不稳定、电池的寿命有限等问题，无法成为可持续的、自给自足的、便携式的能量来源。于是，最近发明的TENG成为了一个有效、有前景的技术，锂离子电池也是能量储存的最有效方法之一。利用这两种技术的优势来设计可持续的自供电系统是一个非常有前途的研究领域。

图11可为锂离子电池充电的柔性电源装置。
a）拱状TENG示意图和其在开关模式的电路原理图；b）柔性自充电电源系统的结构示意图；c）由含TENG的布料在1µA下充电和恒流放电（GD）3次的锂离子电池（LIB）带状物的电压分布，及自充电电源系统的光学图像和等效电路；d）TENG和变压器、整流器组成的自充电电源系统的等效电路，及其加载外部电阻后电流与功率的关系，变压器匝比对相应阻抗和能量利用率的影响。

Part 4 总结与展望

能源危机是我们现在和未来必须面对的全球性问题。当然，很多可再生能源如风雨、潮汐、波浪、太阳能和地热能等，都是可以利用的，所以关键问题在于如何实现这些可再生能源的转化和利用。在这种情况下，TENG正在成为一种革命性的发电技术。TENGs的发展趋势是可持续性、柔性、高效、低成本以及环保型设计，将用来建立可用于超灵敏传感器、微机电装置、可穿戴电子、环保与新能源技术等方面的自供电系统。

随着TENG在微型电源和自供电系统等便携式设备上的发展，TENG作为超大规模电源的时代即将到来。一滴水的力量虽小，但海洋能源十分巨大，具有容量高、规模大、对环境条件的依赖性较小等卓越优势。然而，由于缺乏可用的能量收集技术，这种宝贵的能源在很长一段时间内无法被使用。自2013年起，研究人员陆续设计出一些新颖的基于TENGs的收集装置原型，从而创造了利用这种巨大的“蓝色能源”的可能性，如图12所示。

图12 基于TENGs的自供电能量转换系统在“蓝色能源”收集中的应用

最后，作者提出要实现TENGs的工业化仍然需要解决以下几点问题：
1）进一步研究摩擦起电的基本机制，从而理解电荷转移过程，完善有关TENG的基本理论。在理论指导下，优化结构设计和使用材料，以提高TENG的能量转化效率、输出稳定性和持续性。
2）进一步开发基于TENG的集成系统，从而制造多功能储能器件、自供电的未来便携式电子设备和自供电的传感器网络。
3）进一步实现对气流、雨滴、海浪等大功率源的能量转换和利用。

王中林教授简介：

王中林教授现为中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家和首任所长，佐治亚理工学院校董、终身教授，欧洲科学院院士、中国科学院外籍院士、中组部“千人计划”顶尖人才与团队入选者、美国物理学会fellow、科学发展协会(AAAS) fellow、材料学会 fellow、显微学会fellow、英国皇家化学学会fellow。在国际一流刊物上发表了1050余篇论文，其中16篇发表在《Science》和《Nature》上，13篇发表在《Nature》子刊上，拥有200余项专利。学术论文已被引用85,000次以上，论文H指数153。世界上在材料和纳米技术论文引用次数最多的前五位作者之一，在当今世界最杰出的科学家排名榜上第25名。（通讯作者信息来源于中科院北京纳米能源与系统研究所网站）

文献链接：Triboelectric Nanogenerators Driven Self-Powered Electrochemical Processes for Energy and Environmental Science (Adv. Energy Mater., 2016, DOI: 10.1002/aenm.201600665）

本文由材料人编辑部学术组Sea供稿，材料牛编辑整理。

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