发布时间:2020-07-31 09:39 原文链接: 纳米发电机新时代的变革?

  纳米发电机,是基于规则的氧化锌纳米线的纳米发电机,是在纳米范围内将机械能转化成电能,是世界上最小的发电机。目前纳米发电机可以分为3类。

  一类是压电纳米发电机,压电纳米发电机是利用特殊纳米材料(氧化锌)的压电性能与半导体性能,把弯曲和压缩的机械能转变为电能的微型发电机。一类是摩擦纳米发电机,摩擦发电机利用了两种对电子束缚能力不同的材料,相互接触时得失电子而在外电路产生电流的微型电机。第三类为热释电纳米发电机。

  纳米发电机的发明,被中国两院院士评为2006年度世界科学十大科技进展之一;2008年,被英国《物理世界》评选为世界科技重大进展之一;2009年,《MIT Technology Review》评选为十大创新技术之一。

  接下来通过最新研究进展走进纳米发电机领域:

  AM:用于“自匹配”摩擦/压电纳米发电机的聚偏二氟乙烯和重组蜘蛛丝

  灵活的生物相容机械能收割机正吸引越来越多的兴趣,因为他们的高能量收集效率为可穿戴/植入式装置供电。中科院上海微系统与信息技术研究院Tiger H. Tao教授、Guqiao Ding教授等人报道一种由基因工程重组蜘蛛丝蛋白和(聚(对苯二甲酸乙酯)(PET)层修饰的压电聚偏二氟乙烯(PVDF)组成的“自匹配”摩擦/压电纳米发电机。PET层作为压电纳米发电机和摩擦纳米发电机的共享结构和带电层。重要的是,PVDF产生了一个强大的压电势,改变表面电位PET层匹配摩擦带电过程中蜘蛛丝的电子转移方向。研究了一种“气相分离”工艺被开发来提高压电性能,该设备在现有的类似尺寸的能源收割机中显示了卓越的输出性能和能量转换效率,并展示了大规模制造和各种植入/可穿戴应用的潜力。相关研究以““Self-Matched” Tribo/Piezoelectric Nanogenerators Using Vapor-Induced Phase-Separated Poly(vinylidene fluoride) and Recombinant Spider Silk”为题目,发表在AM上。

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  文献链接:DOI: 10.1002/adma.201907336

  图1 基于自匹配的TPNG设计

  Advanced Science:基于仿生摩擦电的纳米发电机的超低静止功耗唤醒技术

  智能微系统中的唤醒电路对无人值守地区的电子网络节能做出了巨大贡献,这些地区仍然需要更高的压力触发灵敏度和更低的功耗。在本研究中,中山大学Fang Yi教授联合清华大学Xiaofeng Wang教授等人开发了一种仿生摩擦电纳米发电机作为唤醒电路中的自供电运动传感器。它捕获轻微的机械扰动,并克服了传统的自供电运动传感器在唤醒电路中的缺点,即只有在对传感器施加相当大的压力时,电路才能被触发。bTENG模拟植物的结构,加上叶状触须结构,可使电输出增加4倍,极大地扩展唤醒电路的检测范围。bTENG可以检测非接触和接触机械扰动;这两种情况产生的电压可以触发唤醒系统。另外,特别设计与bTENG兼容的电路,可以帮助更精确地控制唤醒系统,将电子网络的电池寿命延长到12.4倍。在唤醒电路中建立了入侵检测系统,实现了对人体运动的识别和对场景的判断。这项工作为唤醒技术开辟了新视野,并为持久感知提供了新途径。相关研究以“Ultralow Quiescent Power-Consumption Wake-Up Technology Based on the Bionic Triboelectric Nanogenerator”为题目,发表在Advanced Science上。

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  文献链接:DOI: 10.1002/advs.202000254

  图2 bTENG和唤醒系统

  Nano Energy:柔性薄膜热电发电机支持可穿戴式自供电压力传感系统可用于连续医疗保健监测

  在可穿戴电子设备、生物医学监测和人工智能领域,具有高灵敏度和高性价比的柔性便携式压力传感器有着巨大的需求。要实现可移动操作的便携式压力传感器,需要超薄、灵活、可持续的电源。在这里,北京航空航天大学Wei Zhu 教授、 Yuan Deng教授等人通过集成一个导电弹性体压力传感器和柔性薄膜热电发电机(tf-TEG)来收集身体热量,开发了一个自供电的可穿戴压力传感系统。采用激光雕刻技术,通过表面微结构的可控设计,实现灵敏度可调的压力传感器。为了为压力传感器提供可靠和可再生的电源,柔性tf-TEG采用高导热绝缘薄膜作为吸热材料,柔性水凝胶作为散热器,从而产生较大的温度梯度,用于大功率发电。特别是,自供电系统的压力敏感性独立于整个tf-TEG的温度梯度,使其能够在人类皮肤和周围环境的各种温差下保持稳定的性能。在这项工作中首次提出的自供电压力传感系统能够连续监测人体生理信号和身体运动,完全由可附于皮肤的tf-TEG供电,不需要电子推进电路。相关研究以“Self-powered wearable pressure sensing system for continuous healthcare monitoring enabled by flexible thin-flm thermoelectric generator”为题目,发表在Nano Energy上。

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  文献链接:DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.104773

  图3 集成tf-TEG和柔性压力传感器的自供电可穿戴压力传感系统的原理图描述和结构

  Nature Commun.:液态金属基高性能单层SnS压电纳米发电机的合成

  IV族单硫系化合物单分子层的强压电效应,加上其固有的灵活性,使其有可能用于开发柔性纳米发电机。SnS由于其良好的半导体特性是纳米发电机的潜在选择。到目前为止,由于S的孤对电子存在强烈的层间相互作用,获得大面积和高结晶的单层SnS具有挑战性。墨尔本皇家理工大学Yongxiang Li教授、新南威尔士大学Kourosh Kalantar-Zadeh教授等人报道了利用液态金属基技术合成单晶平面和大面积单层SnS。表征证实了原子薄SnS的形成,其载流子迁移率为~35 cm2 V -1 s -1,压电系数为~26 pm V -1。压电纳米发电机使用SnS单分子层在0.7%应变时输出电压峰值为150mv。这种稳定而灵活的单层SnS可以应用到各种系统中,以实现高效的能源收集。相关研究以“Liquid metal-based synthesis of high performance monolayer SnS piezoelectric nanogenerators”为题目,发表在Nature Commun.上。

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  文献链接:DOI: 10.1038/s41467-020-17296-0

  图4 二维SnS的合成、示意图表示和特征

  EES:双摩擦电纳米发电机驱动自供电电催化空气直接合成氨

  常温常压电催化还原法是替代传统氨合成方法的一种有前景的低能耗、生态友好的途径,是目前能耗和温室气体排放最大的化学工艺之一。在本研究中,北京纳米能源研究院Wei Tang教授、王中林教授等人利用摩擦电纳米发电机(TENG)建造了一个以空气为氮源的电催化氨合成系统,该系统具有自供电、环保、低成本、设备制造、可扩展的特点。氮固定和电催化还原可以通过引入高产量的双TENG结构同时进行。利用针板结构来实现空气排放,从而获得用于进一步水电解质形成的NOX。此外,利用TiO2作为催化剂的电化学电池合成氨。自供电电催化系统在3.5 m3 min-1的模拟废气驱动下,每小时氨产率达到2.4μg h-1。相关研究以“Self-Powered Electrocatalytic Ammonia Synthesis Directly from Air as Driven by Dual Triboelectric Nanogenerators”为题目,发表在EES上。

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  文献链接:DOI: 10.1039/D0EE01102A

  图5 设计原理图

  Nano Energy:混合纳米发电机改善海浪冲击能量收集自供电应用

  英国南安普敦大学Ulises Tronco Jurado教授描述了一种位于水结构界面,改善沿海波浪冲击能量收集系统输出功率性能的替代方法。这是通过同时耦合摩擦电和压电效应来实现的。有限元建模和实验电特性的使用,使混合设备集成到一个水波发生器。这提供了一个机制,在低频率(0.7 Hz  -3 Hz)下模拟实际的海浪条件。与使用单个摩擦电和压电纳米发电机相比,输出性能提高了2.24和3.21倍。这是通过评估由多达四个连接不同电容值的混合装置组成的电网的输出电流、电压、转移电荷和充电性能来证明的。这种混合装置能够为单向无线发射器提供功率,输出功率在340.85 µW至2.57 mW之间,并向2m至8m的不同距离的接收器发送信号。研究表明,这种集成装置可以为开发高性能的海浪冲击能量收集机制提供一个很有前途的机制,以驱动平均功率消耗为1  -100mW的自供电系统。此外,据估计,通过建造大型水混合纳米发电机结构接口,可产生约21.61 W的输出功率,用于智能大规模应用中的自供电传感系统的网络。相关研究以“Grid of hybrid nanogenerators for improving ocean wave impact energy harvesting self-powered applications”为题目,发表在Nano Energy上。

  ACS Nano:透明摩擦感应智能窗

  自供电的智能窗户是可取的,期望它们的节能,天气独立,用户可控,和微型性能。最近开发的太阳能热电智能窗很大程度上取决于天气情况,反应非常慢,只有一部分节省下来的能量可以通过外部电路用于模式转换。在这项工作中,香港中文大学Yunlong Zi教授开放了一个自供电的通常透明的智能窗口是由一个旋转独立滑动摩擦电子纳米发电机(RFS-TENG)和一个聚合物网络液晶(PNLC)电池组成。为了制备PNLC电池,构建了具有随机分布微域的取向层来封装LC聚合物和向列型LC的混合物。由于嵌入的微畴和密集的LC聚合物网,智能窗暴露在交变电场下的不透明度得到了显著改善。超高的浑浊度大大降低了LC驱动所需的电荷密度,从而实现了驱动TENG。采用6个周期性弯曲摩擦电膜和Ag电极精心设计的RFS-TENG具有超低摩擦磨损,满足频率要求以实现稳定的不透明度。通过从周围环境中收集机械能量,摩擦诱发的智能窗可以使许多领域受益,如自供电的天窗、风力驱动的智能农业系统等。相关研究以“Normally Transparent Tribo-Induced Smart Window”为题目,发表在ACS Nano上。

  AEnM:基于静电感应和介电击穿效应设计的双模摩擦电纳米发电机用于收集机械能

  由于其重量轻、成本低、效率高(特别是在低工作频率下)的优点,摩擦电纳米发电机(TENG)被认为是自供电传感器网络和大规模可再生蓝色能源的潜在解决方案。而传统的TENG只能通过静电感应或静电击穿来将机械能转化为电能。北京纳米能源与纳米系统研究所王中林教授、Jie Wang教授等人介绍了一种新型双模TENG,它可以在单个器件中通过静电感应和介质击穿同时获取机械能。在互补工作机理的基础上,通过一个单一的机制,通过两个张力和,实现了输出性能的极大提高,揭示了介电层厚度对摩擦带电、静电感应和空气击穿的影响。本研究建立了一种优化张力的新方法,并为同时研究摩擦带电、静电感应和介质击穿提供了一种新工具。相关研究以“Rationally Designed Dual-Mode Triboelectric Nanogenerator for Harvesting Mechanical Energy by Both Electrostatic Induction and Dielectric Breakdown Effects”为题目,发表在AEnM上。


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