基于液體-固體界面的摩擦納米發(fā)電機(jī)在能量收集和傳感方面的應(yīng)用進(jìn)展

黃 滔,覃愛(ài)苗,李 銘,郝鑫禹,何炳賢

(桂林理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,廣西 桂林 541004)

人類(lèi)生存的地球約有70%的面積被水覆蓋。水作為一種可再生的清潔能源,有多種表現(xiàn)形式,如降水、河流、海浪、潮汐等[1]。目前大型水力發(fā)電是通過(guò)電磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)將水能轉(zhuǎn)換成電能,但是這種水力發(fā)電只能在高頻下進(jìn)行。實(shí)際上,大量低頻的水能,如河流、雨滴等仍未得到大規(guī)模利用。近年來(lái),王中林教授及其團(tuán)隊(duì)[2-3]發(fā)明的納米發(fā)電機(jī)能有效地收集機(jī)械能并轉(zhuǎn)化為電能。與傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)不同,納米發(fā)電機(jī)是通過(guò)壓電效應(yīng)或摩擦效應(yīng),采用位移電流作為驅(qū)動(dòng)力,有效地將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能或信號(hào)的裝置。根據(jù)轉(zhuǎn)化形式不同,通常把這兩種類(lèi)型的納米發(fā)電機(jī)稱(chēng)作壓電納米發(fā)電機(jī)(PENG) 和摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)。TENG 在微納能源、自供電傳感、藍(lán)色能量采集、高壓電源和掃描探針等方面的應(yīng)用引起了人們的極大興趣和廣泛關(guān)注[4-6]。

液體-固體摩擦電納米發(fā)電機(jī)(LS-TENG)就是通過(guò)液體和固體摩擦電材料之間的接觸帶電效應(yīng)有效地收集機(jī)械能,并通過(guò)簡(jiǎn)便的方式轉(zhuǎn)化為電能,例如潮汐能[7]、水滴能[8]等。與固體-固體接觸不同,由于液-固摩擦電材料中含有液體材料,其流動(dòng)性導(dǎo)致摩擦接觸面積增加,使界面效應(yīng)更加明顯,因此LSTENG 具有耐磨性、機(jī)械耐久性和穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)[9-11],在能量收集和自供電傳感器領(lǐng)域備受關(guān)注。本文將從摩擦納米發(fā)電機(jī)的工作原理出發(fā),介紹液體-固體界面的摩擦納米發(fā)電機(jī)的主要類(lèi)型、工作模式及其在能量收集和傳感器方面的代表性應(yīng)用進(jìn)展,并簡(jiǎn)述了其面臨的挑戰(zhàn)。

1 接觸起電和摩擦納米發(fā)電機(jī)

1.1 接觸起電

接觸起電(也稱(chēng)摩擦電,Contact Electrification,CE)早在2600 年以前就被人們發(fā)現(xiàn)并應(yīng)用,它存在于人們生活中的任何時(shí)間、任何地點(diǎn)。盡管這種現(xiàn)象普遍發(fā)生,但對(duì)摩擦起電機(jī)理的理解一直存在爭(zhēng)議,至今尚無(wú)定論。最近,一些使用開(kāi)爾文探針力顯微鏡(KPFM)對(duì)納米尺度的研究表明,固體-固體情況下的接觸電荷轉(zhuǎn)移主要由電子轉(zhuǎn)移決定[12-13]。當(dāng)兩種材料相互接觸并分離時(shí),電荷會(huì)從一個(gè)表面轉(zhuǎn)移到另一個(gè)表面。接觸起電幾乎可以在所有固體-固體、液體-固體、液體-液體界面發(fā)生,也可能發(fā)生在固體-氣體和液體-氣體界面上(如圖1 示意圖)[9]。

圖1 不同相位之間的接觸起電示意圖[9]Fig.1 Schematic of the contact electrification between different phases[9]

在微觀尺度上,電荷通過(guò)不同的途徑產(chǎn)生,如摩擦起電。有研究報(bào)道,摩擦起電是由兩種不同的電荷親和力的材料接觸產(chǎn)生[14-15],各種不同的材料可以通過(guò)摩擦電序列進(jìn)行量化[16],如圖2 所示。當(dāng)物體接觸具有正電荷親和力的材料往往趨向于帶正電,而接觸具有負(fù)電荷親和力的材料更容易帶負(fù)電。另外如果兩種接觸材料之間的電荷親和力差越大,它們之間產(chǎn)生的摩擦電荷密度將越高。在發(fā)電過(guò)程中,電荷轉(zhuǎn)移可以通過(guò)麥克斯韋經(jīng)典理論來(lái)描述。而TENG 的物理性質(zhì)是由電勢(shì)(Φ)、電場(chǎng)(E)、電介質(zhì)材料的極化(P)和麥克斯韋位移電流(ID)的變化決定的[17]。近年來(lái),考慮到由于壓電或摩擦電效應(yīng)在表面上存在靜電荷,王中林教授提出了擴(kuò)展麥克斯韋方程組,在電位移矢量D中引入極化場(chǎng)Ps來(lái)展開(kāi)和描述,相應(yīng)的位移電流密度JD由下列公式給出[18]:

圖2 摩擦電序列示意圖Fig.2 Schematic diagram of the triboelectric series

式中:ε0代表自由空間(真空)的介電常數(shù);ε為材料(或介質(zhì))的介電常數(shù);P表示介質(zhì)中由于電場(chǎng)的存在而產(chǎn)生的極化;Ps表示由于接觸帶電引起的非電場(chǎng)誘導(dǎo)極化。從公式(2)中可以看出,位移電流由兩項(xiàng)組成,第一項(xiàng)是時(shí)變電場(chǎng)產(chǎn)生的電流,第二項(xiàng)是表面靜電荷極化場(chǎng)引起的電流,而第二項(xiàng)是LS-TENG 的真正理論來(lái)源。

1.2 摩擦納米發(fā)電機(jī)

在自然界中,能量以多種方式存在,發(fā)電機(jī)作為一種將其他形式的能量轉(zhuǎn)化為電能的裝置,在人類(lèi)的生產(chǎn)生活中起到了重要作用。與傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)不同,納米發(fā)電機(jī)主要通過(guò)表面或界面的電荷轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生電勢(shì)差。

摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)是王中林教授于2012 年提出的[19],它可以通過(guò)摩擦電效應(yīng)將機(jī)械能高效地轉(zhuǎn)化為電能,基本工作模式有四種[20],分別為: 垂直接觸-分離模式、水平滑動(dòng)模式、單電極模式和獨(dú)立層模式。而根據(jù)摩擦納米發(fā)電機(jī)的接觸面材料狀態(tài)的不同可分為三類(lèi):固體-固體界面、液體-固體界面和液體-液體界面。

固體-固體界面的摩擦納米發(fā)電機(jī)主要在低頻(通常小于10 Hz)下將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能[21-23],電能來(lái)源于兩種摩擦電材料接觸表面的電子轉(zhuǎn)移[24]。在液體-固體界面的摩擦納米發(fā)電機(jī)中,離子轉(zhuǎn)移和電子轉(zhuǎn)移同時(shí)發(fā)生,在某些情況下,電子轉(zhuǎn)移甚至占主導(dǎo)地位[25-28],因此電能主要來(lái)源于液固界面的電子轉(zhuǎn)移。作為液體-固體納米發(fā)電機(jī)的延伸,也出現(xiàn)了液體-液體摩擦納米發(fā)電機(jī),Wang 等[29]設(shè)計(jì)了一種新型的磁場(chǎng)輔助非接觸式液體-液體TENG,由于其減少了TENG 摩擦界面上的摩擦,提高了TENG 傳感器的測(cè)試精度。

2 液體-固體界面摩擦納米發(fā)電機(jī)

2.1 液體-固體界面接觸起電

在自然界中有很多物體存在疏水現(xiàn)象,如荷葉、花瓣等。一般來(lái)說(shuō),物體的疏水性依賴(lài)于物體表面的自由能,表面自由能高的固體表面往往是親水的,而表面自由能低的固體表面更容易表現(xiàn)出疏水性。在過(guò)去的數(shù)十年間,超疏水界面在生產(chǎn)和生活中已經(jīng)有了廣泛應(yīng)用,包括自清潔、車(chē)窗防霧等[30]。在納米發(fā)電機(jī)中,超疏水界面可以降低滑動(dòng)或滾動(dòng)角以及液滴的附著力,利用這種特性,可以自動(dòng)清除覆蓋在表面的灰塵雜質(zhì)顆粒。此外,它也有助于提高物質(zhì)轉(zhuǎn)移,從而促進(jìn)納米發(fā)電機(jī)中的電荷產(chǎn)生。以L(fǎng)S-TENG 為例,若界面是親水性的,液體中水分子與固體表面的相互作用較強(qiáng),大量的液體將留在固體表面,水分子中的氧原子或氫原子更有可能與親水表面的原子形成共價(jià)鍵,同時(shí)表面的電離反應(yīng)更有可能發(fā)生,導(dǎo)致親水性固體表面產(chǎn)生離子,中和了電極上的摩擦電荷,從而降低了能量轉(zhuǎn)換效率。相反,若是疏水界面,固體表面和水之間的表面電離反應(yīng)不太可能發(fā)生,確保了能量和電荷的高效傳遞,從而滿(mǎn)足了持續(xù)收集環(huán)境能量的要求[30]。

鑒于液-固界面接觸起電的形成機(jī)理研究尚未清晰,2018 年,Wang 等[31]同時(shí)考慮了電子轉(zhuǎn)移和離子吸附,首次提出了一個(gè)混合雙電層模型(EDL,簡(jiǎn)稱(chēng)“王” 氏混合層)。首先,由于液體中的分子和離子的熱運(yùn)動(dòng)及來(lái)自液體的壓力沖擊固體表面,使固體原子和水分子的電子云發(fā)生重疊并導(dǎo)致它們之間的電子發(fā)生轉(zhuǎn)移,同時(shí)使固體表面上的原子變成離子(圖3(a))。第二步,固體表面的離子與液體中的離子發(fā)生相互作用,導(dǎo)致界面附近的陽(yáng)離子和陰離子呈梯度分布,在靜電作用下,液體中的自由離子被吸引到帶電表面,從而形成EDL(圖3(b))[9,32]。

圖3 王氏混合雙電層模型及其形成的“兩步” 過(guò)程[9]Fig.3 Wang's hybrid EDL model and the “two-step” process on its formation[9]

實(shí)際上,在液固相互作用中,由于電子交換和離子吸附可以同時(shí)發(fā)生并共存[26-27],其界面上的接觸起電將變得更加復(fù)雜。而液體-固體界面的飽和電荷密度是決定其性能的關(guān)鍵因素[28]。最近Tao 等[33]發(fā)現(xiàn),在紫外光的照射下,選擇含氟聚合物和二氧化硅作為帶電材料,液體-固體接觸起電的飽和電荷密度可以進(jìn)一步增加,并提出了一個(gè)光激發(fā)電子轉(zhuǎn)移模型,解釋了紫外光照下液體-固體接觸帶電的增強(qiáng)現(xiàn)象,如圖4 所示。光激發(fā)電子轉(zhuǎn)移模型不僅進(jìn)一步闡明了接確起電在液-固界面的作用機(jī)理,而且為提高LSTENG 的性能提供了一種新途徑。

圖4 (a)液體-固體界面紫外光激發(fā)實(shí)驗(yàn)示意圖;(b)基于電子轉(zhuǎn)移模型的CE 中紫外照射下的電子轉(zhuǎn)移和光激發(fā)電子轉(zhuǎn)移[33]Fig.4 (a) Schematic diagram of UV excitation experiment at liquid-solid interface;(b) Electron transfer and photoexcited electron transfer with UV illumination in CE based on electron transfer model[33]

2.2 液體-固體界面摩擦納米發(fā)電機(jī)的類(lèi)型和原理

自TENG 發(fā)明以來(lái),早期的TENG 主要基于固體-固體接觸,但固體材料具有一定的剛性,在接觸時(shí)接觸面積和接觸緊密度會(huì)受到一定的限制。與固體-固體界面相比,液體具有流動(dòng)特性,液-固接觸時(shí)會(huì)具有較高的接觸緊密度和較大的接觸面積[7]。LSTENG 也具有四種工作模式,分別是接觸-分離模式、滑動(dòng)模式、單電極模式和獨(dú)立模式,如圖5 所示。在接觸-分離模式下,絕緣聚合物膜和水作為兩種摩擦電材料,在與水接觸時(shí),聚合物膜會(huì)帶負(fù)電,同時(shí)帶正電的EDL 在水面上產(chǎn)生,以保持電中性。隨著聚合物膜和水分離,帶負(fù)電荷的聚合物膜和帶正電荷的水在它們之間形成電勢(shì)差[34](圖5(a))。在滑動(dòng)模式下(圖5(b)),液態(tài)金屬與PTFE 接觸時(shí),PTFE 與液態(tài)金屬的吸電子能力不同,電子被注入PTFE 表面,當(dāng)PTFE 向上移動(dòng)時(shí),表面上的摩擦電荷將驅(qū)動(dòng)電子通過(guò)外部電路從感應(yīng)電極移動(dòng)到液態(tài)金屬[35]。然而基于接觸-分離模式和滑動(dòng)模式的LS-TENG 有一個(gè)缺點(diǎn),即不能從自由、隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的物體中獲取能量,而基于單電極模式的LS-TENG 則表現(xiàn)出收集移動(dòng)物體的能量更容易[36],圖5(c)是一個(gè)典型的單電極模式的LSTENG,在水滴滴落并沖擊聚合物薄膜時(shí)即可獲取能量。獨(dú)立模式的LS-TENG 通常設(shè)計(jì)有一對(duì)電極,分別對(duì)稱(chēng)地置于薄層電介質(zhì)之下(圖5(d)),當(dāng)液體沿著TENG 的表面流動(dòng)時(shí),電介質(zhì)薄層通過(guò)與液體的摩擦和下方電極中產(chǎn)生的感應(yīng)電荷而充電。隨著液體的遷移,感應(yīng)電荷呈不對(duì)稱(chēng)分布,導(dǎo)致電極之間存在電勢(shì)差。

圖5 液體-固體界面的TENGs 的四種模式。(a)接觸-分離模式;(b)滑動(dòng)模式;(c)單電極模式;(d)獨(dú)立模式Fig.5 The four fundamental modes of the TENGs based on solid-liquid interface.(a) The contact-separation mode;(b) The sliding mode;(c) The single-electrode mode;(d) The freestanding mode

3 液體-固體界面摩擦納米發(fā)電機(jī)的應(yīng)用

由于地球上大部分面積都被水覆蓋,并且水是一種可以用于發(fā)電、且很有應(yīng)用前景的替代能源。用水輪機(jī)水力發(fā)電就是根據(jù)法拉第定律將滴落的水或流動(dòng)水的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能的一種發(fā)電技術(shù)。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,研究人員正試圖開(kāi)發(fā)一些基于液體-固體界面的小型電子設(shè)備或自供電傳感器[37-38],以同時(shí)滿(mǎn)足能量采集和電輸出的需求。LS-TENG 因其本身的特點(diǎn),已表現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景,主要體現(xiàn)在能量收集和傳感方面,包括水能收集、可穿戴能量收集、自供電傳感器、信號(hào)采集以及混合動(dòng)力等。

3.1 液體-固體界面摩擦納米發(fā)電機(jī)應(yīng)用于能量收集

3.1.1 藍(lán)色能源和水波能量收集

LS-TENG 的應(yīng)用之一是收集水波能[39-40]和藍(lán)色能源[41]。早在幾年前,Chen 等[42]報(bào)告了一種利用設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)來(lái)大規(guī)模收集水能的摩擦電納米發(fā)電機(jī),即網(wǎng)格納米發(fā)電機(jī)(TENG-NW)。TENG-NW 依靠傳統(tǒng)聚合物和極薄金屬層之間的表面充電效應(yīng)作為每個(gè)TENG 的電極。自然漂浮在水面上的TENG-NW 可將緩慢、隨機(jī)、高強(qiáng)度的振蕩波能量轉(zhuǎn)化為電能。根據(jù)測(cè)量的單個(gè)TENG 的輸出功率,預(yù)計(jì)TENG-NW 在1平方公里表面積上的平均輸出功率為1.15 MW?？傊?TENG-NW 具有重量輕、成本效益高、環(huán)境友好、易于實(shí)施、可漂浮在水面等特點(diǎn),不僅可以用于采集來(lái)自海洋的強(qiáng)烈波浪運(yùn)動(dòng),還可以應(yīng)用于其他各種場(chǎng)景,如湖泊、河流等。TENG-NW 為藍(lán)色能源的采集提供了一條綠色有效路徑。

在水波能收集方面,Wei 等[43]設(shè)計(jì)了一種基于液滴的摩擦電納米發(fā)電機(jī)(DB-TENG),它具有簡(jiǎn)單的開(kāi)放式結(jié)構(gòu),并可以在高濕度或高濃度鹽、酸或堿溶液的極端條件下穩(wěn)定工作,僅1.5 mL 液滴驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)移電荷(Qtr)、短路電流(Isc)和開(kāi)路電壓(Voc)分別可達(dá)到30.7 nC,52 nA 和77 V,表面電荷密度可以達(dá)到153.5 μC/m2。在模擬海浪的工作情況下(圖6),放大的DB-TENG 可以驅(qū)動(dòng)35 個(gè)綠色LED 燈(額定功率為45 mW)。作為一種能量采集器,DB-TENG 收集的波浪能量也可以存儲(chǔ)在電容器中供后續(xù)使用,一個(gè)0.47 μF 的電容器可以在4.1 s 內(nèi)充電到約4 V。這種簡(jiǎn)單的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)DB-TENG 具有可觀的輸出性能和實(shí)際應(yīng)用能力,可用于大規(guī)模的水能采集。

圖6 模擬海浪中的輸出性能[43]。(a)在試驗(yàn)船上按比例放大的DB-TENG 照片(比例尺,6 cm),插圖是實(shí)際試驗(yàn)裝置的照片;(b)演示DB-TENG 作為電源點(diǎn)亮水箱中的LED(插圖: 黑暗中的亮燈情況);(c)按比例放大的DB-TENG 給不同電容器的充電曲線(xiàn);按比例放大的液滴TENG 在模擬海浪下的(d)轉(zhuǎn)移電荷,(e)短路電流和(f)開(kāi)路電壓Fig.6 Output performance in simulated ocean waves[43].(a) Photograph of the scaled-up DB-TENG on a test ship (scale bar,6 cm),the inset is a photography of an actual test device;(b) Demonstrations of the DB-TENG as a power source to light the LEDs in water tank (inset: lighting condition in the dark);(c) The charging curves of the scaled-up DB-TENG for different capacitors;(d) Transferred charges,(e) short-circuit current,and (f) open-circuit voltage of a scaled-up droplet-based TENG in simulated ocean waves

3.1.2 可穿戴式發(fā)電

隨著人機(jī)交互、人工智能的發(fā)展,可穿戴技術(shù)也正在蓬勃發(fā)展,并已成功應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)、可穿戴數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域。在這些技術(shù)的基礎(chǔ)上,研究人員發(fā)明了各種多功能可穿戴設(shè)備,極大地豐富了人們的生活[44]。目前利用摩擦電納米發(fā)電機(jī)來(lái)收集可穿戴設(shè)備周?chē)姆植际綑C(jī)械能已有報(bào)道。

Ye 等[45]報(bào)道了一種全織物納米發(fā)電機(jī)(FTENG),如圖7。該F-TENG 由二氧化硅納米粒子和聚酯纖維(PVDF-HFP/FDTS)組成,具有良好的疏水性和耐酸堿性能。此外,經(jīng)過(guò)優(yōu)化組成和結(jié)構(gòu),該FTENG 在液滴滴落時(shí)所輸出電壓比傳統(tǒng)的單電極模式TENG 提高了7 倍,總能量轉(zhuǎn)換效率為2.9%。因此,F-TENG 可用于雨滴能量收集的多功能可穿戴設(shè)備,能有效地將水滴能量轉(zhuǎn)化為電能,其輸出電壓為22 V,輸出電荷為7.5 nC。F-TENG 透氣性好,疏水且能自修復(fù),轉(zhuǎn)換效率高,在多功能可穿戴設(shè)備中具有廣闊的應(yīng)用前景,若與接觸分離模式的TENG 結(jié)合,可同時(shí)獲取人體運(yùn)動(dòng)機(jī)械能和水滴能量。

圖7 F-TENG 在水滴能量收集中的應(yīng)用[45]。(a) F-TENG 在可穿戴水滴能量采集中的應(yīng)用場(chǎng)景;(b)不同體積的水滴下的F-TENG 的輸出電壓;(c)不同高度下落的水滴的F-TENG 的輸出電壓;(d)不同速度下落的水滴的F-TENG 的輸出電壓;(e)在不同阻值的外接負(fù)載下的F-TENG 的輸出電流和功率;(f) F-TENG 的電輸出穩(wěn)定性;(g)F-TENG 為各種電容器的充電曲線(xiàn);(h)為L(zhǎng)ED 陣列供電的電力輸出(插圖為由F-TENG 供電的LED 陣列照片)Fig.7 Applications of the F-TENG for water droplet energy harvesting[45].(a) Schematic diagram shows the application scenario of the F-TENG for wearable water droplet energy harvesting;(b) Output voltage of F-TENG with different volumes of water droplet;(c) Output voltage of F-TENG with water droplet at various dropping heights;(d) Output voltage of F-TENG with different dropping velocities of water droplet;(e) Output current and power of F-TENG with different external load resistances;(f) Electric output stability of F-TENG;(g) Charging curves of various capacitors charged by the F-TENG;(h) Electric output to power LED arrays (inset: the photographs of LED arrays powered by F-TENG)

Gang 等[46]提出了一種柔性防水雙模紡織摩擦電納米發(fā)電機(jī),它可以同時(shí)收集多種“高熵” 動(dòng)能,包括人體運(yùn)動(dòng)、雨滴和風(fēng)。該發(fā)電機(jī)將獨(dú)立式摩擦納米發(fā)電機(jī)(F-TENG)和接觸分離式摩擦納米發(fā)電機(jī)(CSTENG)集成在一起,優(yōu)化了TENG 的結(jié)構(gòu)參數(shù),提高了輸出性能。通過(guò)調(diào)節(jié)接觸角度,該裝置在1.25 m 高度滴落的雨滴下可以產(chǎn)生約4.3 V 的電壓和6 μA 的電流,而人體運(yùn)動(dòng)可產(chǎn)生超過(guò)120 V 的電壓,峰值功率密度約為500 mW/m2。收集的電能可以?xún)?chǔ)存在電容器中,為小型電子設(shè)備供電。這種收集雨滴動(dòng)能和沖擊能的織物可穿戴液固界面摩擦納米發(fā)電機(jī)在動(dòng)能收集和自供電電子方面非常具有前景。

3.1.3 其他領(lǐng)域的能量收集

研究人員考慮到各種發(fā)電形式的優(yōu)點(diǎn)和局限,提出了混合動(dòng)力發(fā)電機(jī)[47],Zhong 等[48]設(shè)計(jì)了一種基于石墨烯的二維(2D)混合納米發(fā)電機(jī),在晴天通過(guò)捕捉陽(yáng)光而在雨天通過(guò)水流來(lái)發(fā)電,成功將太陽(yáng)能和雨滴能相結(jié)合,從而達(dá)到無(wú)論晴天還是雨天,混合動(dòng)力發(fā)電機(jī)都能持續(xù)輸出電能的目的。

Chung 等[49]開(kāi)發(fā)了一種便攜式的基于水晃動(dòng)的摩擦電納米發(fā)電機(jī)(PS-EG),如圖8(a)所示,由一個(gè)含有水的介質(zhì)容器(全氟烷氧烷,PFA)、一個(gè)中心電極和一個(gè)外部電極組成。該P(yáng)S-EG 可產(chǎn)生高電壓輸出,并實(shí)現(xiàn)了針對(duì)便攜式應(yīng)用的閉環(huán)電路設(shè)計(jì)和定量分析。當(dāng)振動(dòng)頻率為2 Hz 時(shí),PS-EG 產(chǎn)生峰值開(kāi)路電壓(Voc)和短路電流(Icc)分別高達(dá)484 V 和4.1 mA。該P(yáng)S-EG 在2 Hz 頻率范圍下可以有效地用作小型電子設(shè)備的輔助電源。

圖8 便攜式水搖發(fā)電機(jī)(PS-EG)原理圖及電性能[49]。(a)PS-EG 的示意圖。PS-EG 的(b)Voc、(c)Icc均方根(RMS)、(d)電壓、電流和(e)功率性能Fig.8 Schematic and electrical performance of portable water-sloshing-based electric power generator (PS-EG)[49].(a) Schematic illustration of PS-EG;(b) Voc,(c) root-mean-square (RMS) of Icc,(d) voltage and current,and (e) power performance of PS-EG

液體-固體界面摩擦納米發(fā)電機(jī)的另一個(gè)新興應(yīng)用是用于可植入醫(yī)療,基于液體和固體間可以傳遞和收集能量考慮,Hinchet 等[50]報(bào)道了一種薄的可植入性TENG,可以有效收集超聲波并通過(guò)皮膚和液體來(lái)傳遞機(jī)械能,展示了一種能夠有效獲取機(jī)械能的可植入式LS-TENG。

在能量收集方面,LS-TENG 為收集機(jī)械能開(kāi)辟了新路徑。它的優(yōu)勢(shì)在于時(shí)間、天氣等因素對(duì)其影響小、工作模式豐富,為廣泛收集低頻能量提供了切實(shí)可行的方法。LS-TENG 的應(yīng)用也并非要取代其他發(fā)電形式,而是作為傳統(tǒng)發(fā)電形式的補(bǔ)充,以提高利用效率,這樣對(duì)于能源的收集才更具有意義。

3.2 液體-固體界面摩擦納米發(fā)電機(jī)應(yīng)用于傳感器

隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展,越來(lái)越多的物體間需要相互通信和追蹤。LS-TENG 可通過(guò)液-固界面作用輸出的電信號(hào)與環(huán)境中的被測(cè)信息建立聯(lián)系,并獲取目標(biāo)信息。在外部機(jī)械等運(yùn)動(dòng)的觸發(fā)下,LS-TENG 可發(fā)出電流和電壓信號(hào),根據(jù)信號(hào)的大小和特征,可用于自供電傳感、信號(hào)采集及化學(xué)和環(huán)境方面的傳感器[51-53]。

3.2.1 自供電傳感

Zhao 等[54]制備了一種柔性的液-固接觸的網(wǎng)絡(luò)集成摩擦納米發(fā)電機(jī)(Networked Integrated Triboelectric Nanogenerator,NI-TENG),如圖9 所示,該NITENG 具有陣列式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),能適應(yīng)任何不同的水波運(yùn)動(dòng),并產(chǎn)生穩(wěn)定的電能輸出。面積尺寸為100 mm×70 mm 的NI-TENG 在水波高度為12 cm 條件下可產(chǎn)生穩(wěn)定的13.5 μA 的短路電流和1.03 mW 的功率。同時(shí),其產(chǎn)生的電能可成功地被存儲(chǔ)和釋放,可用于無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳輸,為NI-TENG 在自供電無(wú)線(xiàn)傳感等實(shí)際環(huán)境中的應(yīng)用,如常規(guī)的海洋水文監(jiān)測(cè)、污染檢測(cè)、定位和跟蹤等方面,提供了一種可能。

圖9 網(wǎng)絡(luò)化集成摩擦納米發(fā)電機(jī)(NI-TENG)的結(jié)構(gòu)與性能[54]。(a)NI-TENG 的示意圖;(b)可彎曲NI-TENG 圖;(c)用于收集水波能量的NI-TENG 驅(qū)動(dòng)無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳輸?shù)难b置;(d)電容器的電壓由NI-TENG 充電然后放電,以循環(huán)方式為無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳輸供電Fig.9 Structure and performance of NI-TENG[54].(a)Schematic diagram of a NI-TENG;(b) Picture of a bendable as-fabricated NI-TENG;(c) Setup for driving wireless signal transmission by a NI-TENG that harvests water wave energy;(d) Capacitor voltage as it is charged by the NI-TENG and then discharged to power the wireless signal transmission in a cyclic way

3.2.2 傳感的信號(hào)采集

在信號(hào)采集方面,Yu 等[55]利用液體-電介質(zhì)界面處耦合的摩擦電和靜電感應(yīng)效應(yīng),設(shè)計(jì)了不規(guī)則光柵結(jié)構(gòu)的TENG,通過(guò)TENG 采集雨滴的隨機(jī)特性,從自然界收集隨機(jī)信號(hào)。圖10 為水滴觸發(fā)后RNG 的典型輸出信號(hào)。實(shí)驗(yàn)表明,TENG 可以精確提取水滴在自身功率下的隨機(jī)特征,并以此作為產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的來(lái)源,根據(jù)推導(dǎo)出的數(shù)字序列的統(tǒng)計(jì)特性、自相關(guān)性和重復(fù)性的系統(tǒng)研究表明,由該隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)具有可信的隨機(jī)性。該研究提供了一種低成本、實(shí)用、有效的生成真隨機(jī)數(shù)的方法,可廣泛應(yīng)用于密碼協(xié)議、數(shù)字簽名、認(rèn)證、身份識(shí)別等信息安全領(lǐng)域。

圖10 水滴觸發(fā)后RNG 的典型輸出信號(hào)[55]。(a～c)當(dāng)TENG 被不同位置的單個(gè)水滴觸發(fā)時(shí),自供電RNG 產(chǎn)生的電信號(hào)如插圖所示;(d)由水滴觸發(fā)生成器的結(jié)果Fig.10 The typical output signal of the RNG after being triggered by water drops[55].(a-c) The electrical signals generated from the self-powered RNG when TENG was triggered by single water drop at different positions as shown in the inset photo;(d) The result of the generator triggered by water drops

Sun 等[56]組裝了一種以新型聚苯胺和聚偏氟乙烯納米線(xiàn)為基礎(chǔ)的摩擦納米發(fā)電機(jī)(NW-TENG),并形成兩個(gè)自供電靜電操縱系統(tǒng)(EMSs)。TENG 輸出信號(hào)的變化會(huì)影響電場(chǎng)的強(qiáng)度、形式、頻率等參數(shù),并由于力的變化而產(chǎn)生不同的液滴運(yùn)動(dòng)行為,利用TENG的交變電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)宏觀帶電液滴的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。結(jié)果表明,液滴的運(yùn)動(dòng)周期比普通直流穩(wěn)壓電場(chǎng)短(從7.30 s 到3.67 s),且未發(fā)生電擊穿,是一種控制微液滴在液體環(huán)境中運(yùn)動(dòng)行為的新方法。

3.2.3 化學(xué)和環(huán)境方面的傳感

LS-TENG 還在化學(xué)和環(huán)境方面有一定的應(yīng)用,如液體濃度檢測(cè)[57]、環(huán)境溫度濕度測(cè)試[58]、金屬陰極保護(hù)[59]以及用于臨床實(shí)時(shí)的輸液監(jiān)測(cè)[60]等。在化學(xué)生產(chǎn)作業(yè)中常需要對(duì)腐蝕性流體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),Ma等[61]制備了一種基于全纖維單電極TENG 紗的智能化學(xué)防護(hù)服,該防護(hù)服帶有生物運(yùn)動(dòng)能量采集和自動(dòng)安全監(jiān)控系統(tǒng),檢測(cè)突然發(fā)生的化學(xué)泄漏,監(jiān)控人類(lèi)實(shí)時(shí)生活信號(hào),并在緊急情況下觸發(fā)警報(bào),保護(hù)人體免受化學(xué)傷害。Sun 等[59]利用聚四氟乙烯超濾膜作為摩擦層構(gòu)建了一種LS-TENG 陣列組合。在質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%NaCl溶液中實(shí)現(xiàn)了A3 碳鋼的自供電防腐,通過(guò)并聯(lián)或串聯(lián)電路設(shè)計(jì),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬材料更有效的陰極保護(hù)。

Li 等[58]采用對(duì)溫度敏感的聚己內(nèi)酯材料包覆氟化氧化鋁制備新型溫度響應(yīng)LS-TENG,可用于人體溫度監(jiān)測(cè)。該裝置被安裝在手臂上用于人體溫度的檢測(cè),為人們提供便攜快捷的測(cè)溫方法。同時(shí)在LS-TENG中,輸出性能的變化與材料濕度的變化趨勢(shì)一致[58],隨著濕度的變化,摩擦層材料的化學(xué)性能發(fā)生變化,從而影響摩擦起電,因此LS-TENG 可以作為一種自供電的傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)材料的濕度變化。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

TENG 是通過(guò)收集各種不同形式的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的裝置,在“物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代” 扮演著一個(gè)重要角色。LS-TENG 作為T(mén)ENG 中的一種類(lèi)型,其具有成本低、環(huán)境友好、易于實(shí)施和多功能應(yīng)用等特點(diǎn),在能量收集和自供電傳感等方面發(fā)揮著不可替代的作用。本文綜述了近年來(lái)關(guān)于LS-TENG 的發(fā)電機(jī)理、主要類(lèi)型和結(jié)構(gòu)組成,介紹了LS-TENG 在能量收集和傳感方面的主要代表性應(yīng)用。在LS-TENG 的未來(lái)發(fā)展中,從分子和原子水平上研究液體和固體之間接觸帶電的物理機(jī)理并拓展其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑹茄芯繜狳c(diǎn)。將材料的選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合,有望成為進(jìn)一步優(yōu)化LS-TENG 用于液體能量收集和傳感的有效途徑。

在近幾年的研究中,LS-TENG 取得了一定進(jìn)展,但仍有一些問(wèn)題有待進(jìn)一步解決。例如,液體-固體界面對(duì)電荷產(chǎn)生和轉(zhuǎn)移的基本機(jī)理還有待深入探討。LS-TENG 的性能優(yōu)化還有待提高。首先在結(jié)構(gòu)方面,獨(dú)特的材料結(jié)構(gòu)能有效地增加LS-TENG 的輸出功率,通過(guò)優(yōu)化材料和表面形貌可以提高LS-TENG 表面電荷密度,但提高有限;其次,其平均功率相對(duì)較低,大規(guī)模應(yīng)用還具有挑戰(zhàn);最后從本質(zhì)上來(lái)說(shuō),器件的制備和材料的選擇與它們的應(yīng)用場(chǎng)景密不可分,因此,無(wú)論是已經(jīng)大規(guī)模研究的LS-TENG 器件,還是研究人員準(zhǔn)備開(kāi)發(fā)的新器件,最終目的應(yīng)該是能夠解決更多相關(guān)領(lǐng)域的實(shí)際問(wèn)題,因而設(shè)計(jì)具有較高穩(wěn)定性的LS-TENG 也非常重要,實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的應(yīng)用還有較長(zhǎng)的路要走。