河南大学程纲团队Nano Energy：基于互激励策略的超高电荷密度和瞬时功率的水滴纳米发电机

一、【引言】

摩擦纳米发电机(TENG)可以收集环境中的各种机械能，如人的移动、风的流动、水滴/流动等，并将其转化为电能。TENG的工作机理是接触起电与静电感应效应的耦合。TENG具有工作模式多、材料来源广、制备简单、低频能量转换效率高等优点。由于固-液界面磨损小，水滴摩擦纳米发电机（WD-TENG）受到了广泛的关注。但是，WD-TENG的发展和应用受到以下因素的制约。首先，水滴的电荷密度小，限制了WD-TENG的输出性能和实际应用。其次，WD-TENG一般是交流输出。它们需要整流桥或电源管理电路对其输出进行管理以驱动电子设备，这会导致额外的能量损失。最后，WD-TENG的输出性能高度依赖介电摩擦层的表面润湿性。当介电摩擦层表面被水浸润，WD-TENG的输出性能会急剧下降。因此，提高水滴电荷密度，实现单向输出，减少对介电摩擦层润湿性的依赖是WD-TENG实际应用面临的挑战。

开尔文滴水起电机是英国科学家开尔文勋爵于1867年发明的静电发生器。开尔文滴水起电机的工作机理是静电感应效应和正反馈调节。它可在短时间内形成 ~ 10 kV的高压。但是开尔文滴水起电机的极性是随机的，在相对湿度较高时难以起电。此外，由于电荷量小，开尔文滴水起电机一般用作物理课堂上的演示实验。对开尔文滴水起电机进行改进和优化，充分利用其起电速度快、自驱动、电压高等特点，将使其具有广阔的应用前景。

二、【成果简介】

近期，河南大学特种功能材料教育部重点实验室程纲教授课题组的研究成果“Interactive-excited waterdrop triboelectric nanogenerator with ultrahigh charge density and instantaneous power”在国际著名刊物Nano Energy (IF=17.881, JCR一区)上发表。

本文发展了一种将水滴摩擦纳米发电机（WD-TENG）与开尔文滴水起电机相结合的相互激励策略。通过WD-TENG的激励，开尔文滴水起电机更容易起电且极性可控。通过开尔文滴水起电机的电压对WD-TENG进行激励，大大提高了WD-TENG的输出性能。单个水滴的电荷量达到144 nC，对应的电荷密度高达2304 nC/mL，输出电压高达1760 V，瞬时功率高达54.6 mW。所获得的电荷密度和瞬时功率参数比以往WD-TENG的记录（498 nC/mL和13.63 mW）要大得多。此外，实验证明，一滴62.50 μL的水可以点亮320个LED灯。相互激励策略极大地提高了WD-TENG的电荷密度和瞬时功率，在水滴能量收集和自驱动系统领域具有广阔的应用前景。

博士研究生罗洪春和顾广钦博士为论文的共同第一作者，程纲教授和杜祖亮教授是本文的共同通讯作者。

三、【图文解析】

图1. (a)开尔文滴水起电机示意图。(b)开尔文滴水起电机开路电压曲线(重复测量10次)。开尔文滴水起电机内带正电荷的水滴的短路电流(c)、输出电压和转移电荷(d)。(e)传统WD-TENG激励开尔文滴水起电机原理图。(f) WD-TENG激励开尔文滴水起电机时C盆的电压曲线(重复10次)。(g) WD-TENG用于激励开尔文滴水起电机的短路电流。(h)图1g后1 s的放大图。

图2. 采用不同水溶液(NaCl为0.6 mol/L, NaOH水溶液pH为11, HCl溶液pH为3)时，WD-TENG激励开尔文滴水起电机的短路电流和输出电压(a)，转移电荷(b)。不同相对湿度下，WD -TENG激励开尔文滴水起电机的短路电流(c)、输出电压(d)、转移电荷(e)。(f)不同负载电阻下WD -TENG激励开尔文滴水起电机的输出电压、电流、瞬时峰值功率曲线。(g) WD -TENG激励开尔文水滴发生器稳定性试验。(h)开尔文滴水起电机激励的WD -TENG整流后对不同电容的充电曲线。

图3. (a)开尔文滴水起电机激励WD –TENG的原理图。(b)开尔文滴水起电机正电压激励WD -TENG的工作机理。通过开尔文滴水起电机正电压激励WD -TENG的短路电流(c)、转移电荷(d)和输出电压(e)。开尔文滴水起电机负电压激励WD-TENG的短路电流(f)、转移电荷(g)、输出电压(h)。液滴滑落的频率为0.10 Hz。

图4. 开尔文滴水起电机激励的WD-TENG在不同流量下的短路电流(a)、输出电压(b)、转移电荷(c)。(d)开尔文滴水起电机激励的WD-TENG在不同负载电阻下的输出电压、电流和瞬时峰值功率曲线。(e)不同流量下开尔文滴水起电机激励的WD -TENG的充电性能。(f)开尔文滴水起电机激励的WD -TENG点亮320个LED灯的光学图像。

四、【文章信息】

文章链接：Interactive-excited waterdrop triboelectric nanogenerator with ultrahigh charge density and instantaneous power

网址链接: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107158

本工作得到国家自然科学基金委、河南省科技厅、中国博士后科学基金会和河南大学的经费支持。

五、【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，河南省中原千人科技创新领军人才，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年起至今，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，从事纳米结构与自驱动光电器件的研究。在ACS Nano、Adv. Mater.、Nano Energy、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Angew. Chem.、Appl. Phys. Lett.等期刊发表SCI论文60余篇。主持国家自然科学基金4项，获得河南省科技进步二等奖2项。主要研究方向有：纳米结构与光电器件，纳米发电机，自驱动传感器等。

Email: chenggang@henu.edu.cn

本文由作者供稿。