物聯網作為一個全新的領域，通過信息的傳感、處理和傳輸，來實現物與物、物與人之間的互聯。傳感終端是物聯網的重要構成部分，由溫度、濕度、光、壓力、氣體等各種傳感器件組成。這些小型傳感器件單個耗能很小，但其數量巨大且分布廣泛。因此，使用電池來驅動整個傳感器網絡是不現實的，不僅會帶來難以追蹤和回收的問題，并會產生環境污染與健康危害。因此我們急需一種能夠獨立為這種小型電子器件持續供電的新型能源。

摩擦納米發電機 (TENG) 作為一種全新的能源獲取方式，通過摩擦起電與靜電感應的耦合，可以將環境與人體運動產生的機械能直接轉化為電能。相比于傳統的電磁感應發電機，其在低頻機械能的收集中具有優勢，并且具有結構簡單、成本低廉的優點。目前，TENG不僅可以收集風能、振動、水滴、水流、波動的能量，也可以發展光、氣體、聲音、脈搏、溫度等自驅動傳感系統。TENG的輸出具有電壓高、電流低的特性，需要使用電源管理電路（PMC）將其電能高效存儲起來，以滿足小型電子器件的供電要求。但是，TENG的輸出阻抗大，與PMC的阻抗不匹配，是發展高效PMC所面臨的重要問題。

近日，河南大學特種功能材料教育部重點實驗室程綱教授在Advanced Functional Materials上發表了題為“High energy storage efficiency triboelectric nanogenerator with unidirectional switch and passive power management circuit”的文章。報道了一種單向開關式摩擦納米發電機 (TENG-UDS)，并將其應用到電源管理電路 (PMC) 中。TENG-UDS的等效阻抗小于1 kΩ，可以在1 kΩ到1 GΩ的負載范圍內保持輸出能量的最大化，不受負載電阻的影響。而且由于開關中雙觸頭的設計，無需整流實現了單向的電學信號輸出。在此基礎上，設計了由電感、二極管和儲能電容等簡單原件組成的無源PMC。理論計算結果表明，該無源PMC的總能量存儲效率可以達到75.8%。在對10 μF電容的實際充電測試中，總能量存儲效率可以達到48.0%。演示結果表明，利用此PMC所存儲的電能可以驅動商用電子表和高亮度的QLED器件。該項工作的第一作者為河南大學碩士研究生秦懷方，河南大學程綱教授、香港中文大學訾云龍博士、佐治亞理工學院王中林院士是本文的共同通訊作者。

本文研制了一種具有單向開關的摩擦納米發電機，無需整流即可實現單向的電學輸出。TENG-UDS可以在1 kΩ到1 GΩ的范圍內保持輸出電壓和輸出能量的最大化，不受負載電阻的影響，這和傳統的PMC具有優良的阻抗失配。基于TENG-UDS，設計了一種結構簡單、儲能效率高的無源PMC，它由電感、二極管和電容器等無源電子元件組成。理論計算表明，此無源PMC的理論儲能效率可以達到75.8%。在實際實驗過程中，測得的儲能效率可達48%。演示結果表明，采用此無源PMC可以驅動商用電子表和高亮度的QLED器件。基于TENG-UDS的無源PMC具有結構簡單、能耗低、儲能效率高等優點，為TENG的電源管理和實際應用提供了一種前景廣闊的方法。