納米發電機的案例
東北林大陳文帥教授和中科院納米能源所楊亞教授等綜述：基于生物聚合物納米纖維的納米發電機研究進展
多糖和蛋白質納米纖維是地球上最主要的兩種生物聚合物納米纖維，具體包括纖維素納米纖維、甲殼素納米纖維、絲納米纖維、膠原納米纖維和明膠納米纖維。生物聚合物納米纖維的制備方法主要包括：生物材料納米解纖、從小分子中生物合成和靜電紡絲。隨后，文章重點介紹了使用不同生物聚合物納米纖維作為基本構筑單元開發納米發電機的研究進展。生物聚合物納米纖維可以通過直接利用/化學改性/復合活性單元等方法來制備薄膜、納米紙、氣凝膠、泡沫等，用于納米發電機開發；通過設計使塊體材料具有優化的孔尺寸、孔結構、粗糙度、納米纖維有序排列或堆疊、復雜結構等，以進一步優化并提升納米發電機的性能和功能。近年來，生物聚合物納米纖維除了被用于研發摩擦納米發電機和壓電納米發電機外，也被逐步應用在利用濕氣或滲透能發電的發電機領域。
生物聚合物納米纖維的開發和利用在納米發電機領域具有很大的潛力，但進一步優化納米發電機的性能和功能仍面臨著許多挑戰。如何利用更有效的方法開發不同種類的生物聚合物納米纖維，如何對生物聚合物納米纖維進行化學改性引入更多類型的活性基團，如何制造更多類型生物聚合物納米纖維衍生塊體材料用于各種類型的納米發電機開發等，仍有待于后續深入研究。
原文鏈接：
https://spj.sciencemag.org/journals/research/2021/1843061/
相關進展
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不同風速下以及不同特征尺寸的弧形摩擦納米發電機的電學性能表征
(a) 不同長度L對應的器件在不同風速下的開路電壓圖；
(b) 不同長度L對應的器件在不同風速下的短路電流圖；
(c) 不同長度L對應的最大電壓和電流；
(d) 不同間距H對應的器件在不同風速下的開路電壓圖；
(e) 不同間距H對應的器件在不同風速下的短路電流圖；
(f) 不同間距H對應的最大電壓和電流；
(g) 最優的開路電壓和短路電流圖；
(h) 不同外部負載電阻下的輸出電壓和電流；
(I) 不同的外部負載電阻下的輸出功率。
圖4. 風力作用下弧形摩擦納米發電機的供能裝置及其應用
(a) 利用弧形摩擦納米發電機為無線傳感器供電的電路圖；
(b) 利用弧形摩擦電納米發電機驅動248盞LED燈；
(c) 無線水質監測系統的照片，該系統由一個無線pH傳感器節點、一個接收器、兩種不同pH值的溶液和兩個弧形摩擦納米發電機組成；
(d) 當pH值小于5時，水質監測系統發出警報。
圖5. 河流流體能驅動下的環境水質及滑坡監測應用示意
(a) 由弧形摩擦納米發電機陣列供電的無線滑坡預警系統示意圖；
(b) 弧形摩擦電納米發電機在河流中驅動480盞LED燈；
(c) 河流中由弧形摩擦電納米發電機陣列供電的無線水質監測；
(d) 由弧形摩擦電納米發電機陣列供電的滑坡預警監測。
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：用于火災逃生和救援的可機械化生產的3D蜂巢組織阻燃摩擦納米發電織物
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展開 王中林院士團隊：基于彈簧輔助多層結構的球形摩擦納米發電機高效水波能量收集
該研究成功制備了一種用于有效收集水波能的球形摩擦納米發電機，通過結構設計與優化，其輸出電流和輸出功率較以往工作均有較大幅度提高，顯示了納米發電機在大規模收集水波能中的潛在應用價值。
來源：高分子科學前沿
湖南工業大學在商用織物摩擦納米發電方面取得進展
隨著便攜式和可穿戴電子設備需求的迅速增長，織物基摩擦納米發（TENG）電機因其舒適性和易與服裝集成的特點，受到廣泛關注。然而普通織物基摩擦納米發電機，因輸出性能較低，限制了其在實際中的應用。如何有效提升普通織物的摩擦發電輸出性能是其實用化的重大挑戰。
鑒于此，湖南工業大學經鑫教授課題組提出了一種普適簡易的改性方法，通過碳納米管（CNT）和聚乙烯亞胺（PEI）的接枝實現了商用天鵝絨織物摩擦電性能的顯著提升。通過在織物表面引入碳納米管和酰胺鍵，一方面構筑了微納層級結構，另一方面提升了織物的正電性，使織物具備更高的電荷密度和摩擦納米發電性能。
圖1 天鵝絨織物改性原理及微觀形貌
本研究開發的織物基摩擦納米發電機具有良好的柔性、耐洗性、長期運行穩定性。并可獲得119 V的最高輸出電壓和12.6 μA的電流，在外接5×106 Ω負載時，實現了3.2 W/m2的最大功率密度，可作為小型電子設備的電源。
圖2 織物基摩擦納米發電機水洗測試（a,b,c）及摩擦發電性能（d-i）
研制的織物基摩擦納米發電機具備優異的壓力傳感性能，并能夠簡易地與織物集成實現觸覺傳感。研究還制備了適于冬天使用的手套界面，展現了織物基摩擦納米發電機在人機界面應用中的巨大潛力。
圖3 織物基摩擦納米發電機傳感性能
本研究為提升織物基摩擦納米發電機輸出性能提供了新的思路，并為織物基摩擦摩擦納米發電機和自供電傳感器的設計開辟了一條新的途徑。
展開 新型摩擦電納米發電機：可利用人體運動實現無線供電！
導讀
近日，美國克萊姆森大學的科研人員開發出摩擦電納米發電機的無線版本，也稱為“W-TENG”，離利用摩擦電這一綠色能源進行無線供電的目標又更近了一步。
背景
摩擦起電是我們日常生活中經常遇到的一種物理現象，無論是梳頭、穿衣還是走路、開車時都時常會遇到。但是，摩擦電很難被收集和利用，因此它的價值往往被人們所忽視。
不過，去年筆者曾介紹過中國科學院、重慶大學、美國佐治亞理工學院、臺灣科技大學等科研機構的科研人員組成的團隊，在中華民族傳統的剪紙藝術啟發下，利用了摩擦電，開發出一種輕量的、剪紙式樣裝置，采集來自人體運動的能量。
（圖片來源：美國化學會）
其中的核心技術就是：摩擦電納米發電機（TENG）。它能夠采集我們四周的機械能為電子設備充電。舉個例子，未來我們可以在鞋子中安裝摩擦電發電機，只要正常走路，就可以為自己隨身攜帶的手機充電。
接下來，簡單介紹一下TENG 的發電原理：在TENG 的內部電路中，由于摩擦起電效應，兩個摩擦電極性不同的材料薄層之間會發生電荷轉移，從而在二者之間形成電勢差；在TENG 的外部電路中，電子在電勢差驅動下，在分別粘貼在摩擦電材料層背面的兩個電極之間或者電極與地之間流動，從而來平衡這個電勢差。
然而，還是有不少人懷疑摩擦電納米發電機的可行性和實用性。之后，筆者在《可穿戴設備通過人體運動供電，可行嗎？》文章中，介紹了韓國三星綜合技術研究院的一項最研究。該研究證明：摩擦電納米發電機能夠滿足小型可穿戴設備和便攜式電子設備的能耗需求。
（圖片來源：參考資料【2】）
創新
近日，美國克萊姆森大學納米材料研究所（CNI）的研究人員離使用摩擦電（一種綠色能源）為世界無線供電的目標又更近了一步。
展開 鄭州大學橡塑模具團隊《Nano Energy》：在超臨界二氧化碳發泡（scCO2）技術制備高性能摩擦納米發電機方面取得進展
本研究開發的基于無皮層TPU發泡薄膜的摩擦納米發電機具有良好的柔性、耐磨性、優異的輸出性能、極強的性能穩定性等優點，輸出性能隨著表面泡孔尺寸的減小逐漸增大。研究還驗證了接觸分離式摩擦納米發電機中多孔結構與表面互補結構在增強發電性能中的重要作用。制備的基于TPU多孔膜和PDMS膜的納米發電機可獲得260 V的最高輸出電壓和46 μA的輸出電流。在外接3.3×106 Ω負載時，實現了4.6 W/m2的最大功率密度，可作為許多小型電子設備的電源。
圖1.超臨界二氧化碳（scCO2）表面受限發泡的原理圖（a）和在不同的發泡工藝條件下的發泡材料基摩擦納米發電機輸出性能（b,c）及功率密度圖（d）。
此外，制備的柔性摩擦納米發電機具備優異的摩擦電性能和自供電傳感性能。能夠為電容器充電，自發點亮LEDs，驅動計算器等小型電子器件；還能夠檢測諸如拉伸、彎曲、扭轉等變形，以及監測人行走步態的變化等。
圖2.發泡材料基摩擦納米發電機摩擦電性能和自供電傳感性能。
該研究通過超臨界二氧化碳（scCO2）表面受限發泡法制備了可用做摩擦發電機正電極的性能優異的TPU多孔薄膜，為批量化制備高性能TENG提供了一種綠色、高效的新方法，并為設計具有互補結構的摩擦材料，提供了新見解。該研究得到了國家自然科學基金（12072325）和國家重點研究計劃（2019YFA0706802）的資助。
展開 河南大學程綱Advanced Functional Materials: 摩擦納米發電機的無源高效電
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。
【成果簡介】
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。
展開 海洋能摩擦納米發電網絡的能量管理
目前，大多數的波浪能發電裝置都是基于電磁感應發電機，具有笨重、體積龐大、昂貴、易腐蝕、在海浪頻率下效率低下的缺點。所以，需要尋找一種小型、輕量化、經濟的、一體化的水波能量收集方法。
摩擦納米發電機（TENG）提供了一種將機械能轉化成電能的新途徑，具有收集海洋表面波浪能的巨大潛能。由于與電磁發電機在物理機制上的根本差異，摩擦納米發電機有望成為收集低頻機械能特別是“藍色能源”的“殺手”應用。2014年王中林院士提出“藍色能源”的思想，將成千上萬的發電單元連接成TENG網絡用來收集大范圍的波浪能。之后，內嵌金屬球的格子狀結構和球殼結構單元組成的發電網絡被研制出來，以及通過彈簧和多層結構的引入，球形發電單元的性能得到了很大的改進。但是，由于大的阻抗和不平衡的負載匹配，發電機網絡很難直接驅動電子設備或者給儲存設備充電。所以，為了打破這一瓶頸，有效的能量管理是非常有必要的，這有利于實現更有效的水波能利用。
【成果簡介】
近日，中科院北京納米能源與系統研究所的王中林院士和張弛研究員（共同通訊作者）等人探究了面向海洋能收集的摩擦納米發電機網絡的能量管理技術與方法，并在Advanced Functional Materials上發表了題為“Triboelectric Nanogenerator Networks Integrated with Power Management Module for Water Wave Energy Harvesting”的論文，博士生梁茜、蔣濤副研究員和博士生劉國旭是論文的共同第一作者。在這項工作中，作者基于耦合彈簧及多層結構的球形發電單元，構建了海洋能收集的納米發電機網絡，并與能量管理模塊有效集成。
展開 一種基于液-固界面摩擦納米發電機的高靈敏度波浪傳感器及其在智能海工裝備的應用
最近，基于摩擦起電效應和靜電感應耦合的摩擦納米發電機(TENG) 用于能量收集和自驅動傳感器已經成為一種強大的技術。作為最重要的TENG類型之一，基于液-固界面的TENG可用于收集水波能量和其他應用，例如自供電pH計、濃度或壓力傳感器。研究人員提出并探索了一系列用于收集水波能量和傳感的液固界面摩擦納米發電機(LS-TENG)，可收集由液-固界面產生的靜電能。此外，還研究了類似浮標的LS-TENG和水槽式LS-TENG，以有效地收集水波能量。U形LS-TENG作為自供電多功能傳感器，其中復雜的機械運動可以轉化成壓力和電信號。因此，液-固界面摩擦納米發電機具有很大的潛力，可用作智能海工裝備的高靈敏度波浪傳感器。
【成果簡介】
近日，美國佐治亞理工學院王中林院士(通訊作者)等提出并系統地探究了一種基于液固界面摩擦納米發電機的高靈敏度波浪傳感器，并在Nano Energy上發表了題為“A highly-sensitive wave sensor based on liquid-solid interfacing triboelectric nanogenerator for smart marine equipment”的研究論文。上述波浪傳感器由銅電極、覆蓋具有微結構表面的聚四氟乙烯膜制成。作者系統地研究了傳感器基底、波高、頻率和鹽度對波浪傳感器輸出性能的影響。結果發現，輸出電壓隨波浪高度呈線性增加。電極寬度為10 mm的波浪傳感器，靈敏度為23.5 mV/mm，意味著波浪傳感器可以感知毫米范圍內的波高。此外，通過加寬電極和/或增強表面疏水性可以進一步提高靈敏度。在波浪水槽中，波浪傳感器成功地用于實時監測模擬海上平臺周圍的波浪信息。
展開 可拉伸的紗線嵌入式摩擦納米發電機作為電子皮膚用于生物力學能量采集和多功能壓力傳感
摩擦納米發電機是一種能夠實現能量富集和自供電的傳感技術，將其與電子皮膚相結合有望為下一代可穿戴電子產品、個性化醫療以及人機界面等領域帶來新的機會。
【成果簡介】
近日，美國佐治亞理工學院王中林教授課題組開發了一種簡單、低成本的方法制備可拉伸的摩擦納米發電機的方法，其可以用作多功能電子皮膚，并實現了生物力學能量的采集以及多種機械刺激的感知。通過在硅橡膠彈性體中嵌入連續的“鏈式”柵欄狀交錯的導電網絡，賦予了該種電子皮膚以良好的透明性和拉伸性、高壓敏感性以及優異的機械穩定性。研究表明，該摩擦納米發電機能夠點亮高達170個LED，而且其作為多功能傳感器能夠監測人的諸如動脈脈沖和聲音振動等生理信號。該成果以題為"A Stretchable Yarn Embedded Triboelectric Nanogenerator as Electronic Skin for Biomechanical Energy Harvesting and Multifunctional Pressure Sensing"發表在Advanced Materials上。
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河南大學Nano Energy: 基于摩擦納米發電機氣體放電的自驅動CO2氣敏傳感器
近年來，摩擦納米發電機(TENG)作為一項新能源技術，能夠從環境和人體中收集機械能并將之轉化為電能，同時可應用于各種自驅動的傳感器。TENG具有高電壓、低電流和高阻抗的特性，其高電壓容易引起氣體放電，限制了表面摩擦電荷密度的提高。合理的利用TENG高壓引起的氣體放電可以拓展TENG的應用范圍。由于常溫常壓下，每種氣體都有其獨特的放電特性，因此，可以開發出在室溫下工作，具有高檢測靈敏度并且不需要外部電源的新型自驅動氣敏傳感器。
【成果簡介】
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Nano Energy上發表了題為“The self-powered CO2 gas sensor based on gas discharge induced by triboelectric nanogenerator”的文章。利用摩擦納米發電機引起的氣體放電對CO2的高敏感性，發展了一種新型自驅動CO2氣敏傳感器。當CO2加入到N2中時，放電過程中產生的 CO2- 會阻礙等離子體的形成，這會增加氣體放電的閾值電壓并改變放電特性。基于這些現象，提出了不同類型的CO2氣體傳感模式。第一種模式是閾值濃度檢測模式，當CO2濃度達到閾值時，通過使用放電停止現象實現CO2的高靈敏度檢測。基于放電頻率和放電電流對CO2濃度的依賴性，提出了臺階檢測模式和連續檢測模式，可用于檢測CO2濃度低于閾值濃度的氣體濃度。以此為基礎，本篇工作開發了一種基于摩擦納米發電機引起的氣體放電的自驅動CO2氣敏傳感器。通過三種檢測模式實現了對CO2室溫下、高靈敏且不需要外部電源的檢測。河南大學碩士研究生趙珂和青年教師顧廣欽博士是本文的共同第一作者，河南大學程綱教授和杜祖亮教授是本文的共同通訊作者。
展開 王中林院士Nano Energy：電荷泵浦實現超高電荷密度摩擦納米發電機
【本文亮點】
（1）提出了一種浮置層結構，可以積累并束縛超高密度電荷，用于靜電感應
（2）設計了一種電荷泵，可以持續地向浮置層中泵送電荷
（3）在普通環境條件下，基于浮置層結構和電荷泵的電荷自泵浦TENG集成器件實現了1020μC/m2的超高有效表面電荷密度
（4）這項工作提出了一個簡單而普遍的策略，可以大幅提高TENG的電荷密度以及輸出
【引言】
摩擦納米發電機（triboelectric nanogenerator, TENG）的工作原理基于摩擦起電及靜電感應效應。表面電荷密度對于摩擦納米發電機的性能至關重要。一般而言，TENG的輸出功率與表面電荷密度呈二次方關系。在一定的接觸或摩擦強度下，電荷密度主要受限于兩個方面的因素：一是具有一定表面形貌的摩擦材料配對的摩擦起電能力，二是由氣隙擊穿引起的電荷損失。現有已提出了基于材料選擇、表面改性、結構優化或環境控制等多種方法以提高電荷密度，但是這些方法仍存在著很多方面的限制，在電荷穩定性上還存在問題，或在封裝等方面提出了較高的要求。
【成果簡介】
近日，在中國科學院北京納米能源與系統研究所所長、佐治亞理工學院校董教授王中林院士和張弛研究員（共同通迅作者）的帶領下，許亮博士和布天昭等人組成的研究團隊為提高TENG器件的電荷密度，設計了一種具有浮置層結構和電荷泵浦能力的電荷自泵浦摩擦納米發電機（self-charge-pumping triboelectric nanogenerator, SCP-TENG）器件。所設計的浮置層結構可以積累并束縛超高密度電荷，并產生靜電感應效應，電荷泵浦可以持續地向浮置層中泵送電荷，基于兩者的SCP-TENG器件在普通環境條件下，實現了1020μC/m2的超高有效表面電荷密度，達到了空氣擊穿電荷密度閾值的4倍左右，創造了新的電荷密度記錄。
展開 鄭大申長雨院士、劉春太教授團隊米皓陽教授課題組《Nano Energy》：超臨界CO2發泡助力摩擦納米發電機的綠色制造
基于摩擦起電和靜電感應原理的摩擦電納米發電機(TENGs)由于簡單的結構和優異的輸出性能，在能量采集和自供能傳感中得到了廣泛的應用。目前多數TENG存在著諸如制備工藝復雜，成本高，耐久性差，難以實現規模化生產等問題。傳統TENG往往將金屬電極置于器件外側，不僅影響了器件的柔性和舒適性，而且金屬電極容易在長期使用中被氧化或腐蝕，導致穩定性降低。在接觸分離式TENG中，通常需要使用墊片或彈簧來保持正負電材料間的空氣間隙，這無疑增大了器件的厚度和靈活性；長期使用中墊片或彈簧的滑動也會造成TENG穩定性的降低。因此，克服以上問題，研發高輸出、高穩定性的TENG綠色、規模化制備新方法是拓展其工程應用的關鍵。
鄭州大學申長雨院士、劉春太教授團隊米皓陽教授課題組在《Nano Energy》期刊上發表了題為“Green Fabrication of Double-sided Self-supporting Triboelectric Nanogenerator with High Durability for Energy Harvesting and Self-powered Sensing”的文章（DOI：10.1016/j.nanoen.2021.106827）。基于環保和可持續理念，研制了具有超高耐久性和穩定性的雙面自支撐式摩擦納米發電機(DS-TENG)。利用真空熱壓工藝和超臨界二氧化碳(scCO2)發泡技術，通過在內部嵌入不銹鋼網電極，一次成型具有凹凸陣列表面結構的多孔熱塑性聚氨酯(TPU)泡沫，并使用硅橡膠（Ecoflex）薄膜作為負極材料組裝了納米發電機與自供能柔性傳感器。
展開 上海交大超柔性納米發電復合材料
近日，上海交大金屬基復合材料國家重點實驗室的郭益平教授和劉河洲教授課題組在超柔性納米發電復合材料領域取得的重要進展，研究成果以 “Piezoelectric thin film on glass fiber fabric with structural hierarchy: An approach to high-performance, superflexible, cost-effective, and large-scale nanogenerators”為題，發表在國際著名學術期刊Nano Energy （IF=13.12）上。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.03.025
隨著智能設備（即自驅動便攜式電子設備，多能量采集器和傳感器）的快速發展，旨在從環境中獲取能量的自供電納米發電/供電技術變得越來越重要和緊迫。壓電納米發電機由于其高效的機電轉換效率，重量輕，響應快而成為研究熱點。壓電陶瓷及單晶具有超高的壓電效應，但由于其本身的剛性和脆性所以并不能滿足柔性和可穿戴電子設備的設計要求。雖然有很多研究將壓電陶瓷粉體和聚合物進行混合可以獲得超柔性，但是非連續相的壓電結構設計導致低的能量收集效率。通過沉積壓電薄膜再轉移到柔性基底上雖然能夠保持很好的能量收集和保持一定的柔性，但是其工藝復雜、成本高不利于商業化大規模生產。因此設計和開發出一種超柔性且能高效地進行能量收集并可實現大規模生產的壓電納米發電材料顯得尤為重要和具有挑戰性。
本研究提出利用具有層次結構的電子級玻璃纖維布材料體系為基底，通過浸漬的方法在其上沉積具有層次結構的納米壓電發電材料。
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