王中林院士Materials Today：先进3D打印摩擦纳米发电机的研究进展

一、引言：

摩擦纳米发电机（TENG）作为新时代的纳米能源技术、引发了分布式能源供给和自驱动传感系统的革命。当先进的TENG与新兴的3D-Printing（3DP）工艺相结合时，催生了3DP-based TENG的出现，势必推动新一代便携式电子产品、IoT和人工智能的快速发展和应用。然而，受到二者学科领域巨大差异的影响，如何将二者的技术优势充分融合、提高TENG的输出性能和适用性成为亟待解决的巨大挑战。

二、成果简介：

中科院北京纳米能源与系统研究所研究团队综述了先进的3D打印摩擦纳米发电机的研究进展，基于已取得的研究成果，涉及3DP工艺与材料、结构设计与功能、工作模式与机理、电输出性能、独特的技术优势等方面的定量统计和系统分析；讨论了阻碍其规模化制作的挑战和潜在的应用前景。期望通过本文的综述，深化3DP与TENG的交叉融合、推动其更深入的研究和应用。研究成果以“Advanced 3D printing-based triboelectric nanogenerator for mechanical energy harvesting and self-powered sensing”为题，于2021年6月发表在Materials Today上，王中林院士为文章的通讯作者。

三、图文导读：

图1. 3DP-basedTENG不同领域的部分应用实例展示和研究现状总结。

相对于现有部分常规的TENG器件，3DP-based TENG不仅提高了器件的电输出性能，还优化了器件结构、丰富了机械能的收集范围、提升了TENG的实用性和适用性。作者首先较全面汇总了已有研究成果中所使用到的3DP技术和3DP材料、打印的TENG部件特点和功能性，并进行了分类统计和系统总结，分别如图2和图3所示。

图2. TENG涉及的3DP技术和3DP材料的统计和分析。

图3. 利用3DP打印的TENG部件特点和功能性的统计和分析。此外，基于TENG四种基本工作模式：垂直接触-分离模式（Vertical Contact-Separation Mode）、水平滑动模式（Lateral Sliding Mode）、单电极模式（Single-Electrode Mode）和自由端模式（Freestanding Mode），TENG可作为低功耗设备的可持续的功率电源，或者作为自驱动传感器广泛应用于健康监测、生物传感、环境检测、人工智能等领域。作者综述了现有3DP-based TENG器件的工作模式，并进行了分类统计和系统分析，如图4所示。接着，作者总结了3DP-based TENG在机械能收集和自驱动传感系统领域中已取得的研究进展、独特的技术优势和部分已取得的研究成果实例展示，如图5所示。

图4. 3DP-basedTENG器件工作模式的统计和分析。

图5. 3DP-basedTENG已取得的研究成果的分类和部分实例展示。

最后，作者总结了3DP-based TENG后续研究过程中需要注意的核心技术问题，提出了解决思路，并进一步展望了其创新发展的方向，也展示了其作为低功耗设备的电源或自驱动传感器在居家、健康、生物、医疗、环境、科技、工业和航天等领域中潜在的应用前景。如图6所示。

图6. 3DP-basedTENG研究方向和应用前景展示。

四、小结：

TENG与3DP交叉融合的挑战依然存在，但3DP-based TENG依然有着光明的未来，它们的蓬勃发展和应用是高科技下新时代进步不可阻挡的潮流。相信随着相关领域科研的不断深入，3DP-based TENG必将克服当前挑战，也必将推动基于TENG的机械能收集技术和自驱动传感领域的蓬勃发展。

文献链接 

Advanced 3D printing-based triboelectric nanogenerator for mechanical energy harvesting and self-powered sensing. Mater. Today, 2021, DOI: 10.1016/j.mattod.2021.05.017

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.05.017

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