納米發電機新時代的變革？

　　納米發電機，是基于規則的氧化鋅納米線的納米發電機，是在納米范圍內將機械能轉化成電能，是世界上最小的發電機。目前納米發電機可以分為3類。

　　一類是壓電納米發電機，壓電納米發電機是利用特殊納米材料（氧化鋅）的壓電性能與半導體性能，把彎曲和壓縮的機械能轉變為電能的微型發電機。一類是摩擦納米發電機，摩擦發電機利用了兩種對電子束縛能力不同的材料，相互接觸時得失電子而在外電路產生電流的微型電機。第三類為熱釋電納米發電機。

　　納米發電機的發明，被中國兩院院士評為2006年度世界科學十大科技進展之一；2008年，被英國《物理世界》評選為世界科技重大進展之一；2009年，《MIT Technology Review》評選為十大創新技術之一。

　　接下來通過最新研究進展走進納米發電機領域：

　　AM：用于“自匹配”摩擦/壓電納米發電機的聚偏二氟乙烯和重組蜘蛛絲

　　靈活的生物相容機械能收割機正吸引越來越多的興趣，因為他們的高能量收集效率為可穿戴/植入式裝置供電。中科院上海微系統與信息技術研究院Tiger H. Tao教授、Guqiao Ding教授等人報道一種由基因工程重組蜘蛛絲蛋白和(聚(對苯二甲酸乙酯)(PET)層修飾的壓電聚偏二氟乙烯(PVDF)組成的“自匹配”摩擦/壓電納米發電機。PET層作為壓電納米發電機和摩擦納米發電機的共享結構和帶電層。重要的是，PVDF產生了一個強大的壓電勢，改變表面電位PET層匹配摩擦帶電過程中蜘蛛絲的電子轉移方向。研究了一種“氣相分離”工藝被開發來提高壓電性能，該設備在現有的類似尺寸的能源收割機中顯示了卓越的輸出性能和能量轉換效率，并展示了大規模制造和各種植入/可穿戴應用的潛力。相關研究以““Self-Matched” Tribo/Piezoelectric Nanogenerators Using Vapor-Induced Phase-Separated Poly(vinylidene ?uoride) and Recombinant Spider Silk”為題目，發表在AM上。

　　文獻鏈接：DOI: 10.1002/adma.201907336

　　圖1 基于自匹配的TPNG設計

　　Advanced Science：基于仿生摩擦電的納米發電機的超低靜止功耗喚醒技術

　　智能微系統中的喚醒電路對無人值守地區的電子網絡節能做出了巨大貢獻，這些地區仍然需要更高的壓力觸發靈敏度和更低的功耗。在本研究中，中山大學Fang Yi教授聯合清華大學Xiaofeng Wang教授等人開發了一種仿生摩擦電納米發電機作為喚醒電路中的自供電運動傳感器。它捕獲輕微的機械擾動，并克服了傳統的自供電運動傳感器在喚醒電路中的缺點，即只有在對傳感器施加相當大的壓力時，電路才能被觸發。bTENG模擬植物的結構，加上葉狀觸須結構，可使電輸出增加4倍，極大地擴展喚醒電路的檢測范圍。bTENG可以檢測非接觸和接觸機械擾動；這兩種情況產生的電壓可以觸發喚醒系統。另外，特別設計與bTENG兼容的電路，可以幫助更精確地控制喚醒系統，將電子網絡的電池壽命延長到12.4倍。在喚醒電路中建立了入侵檢測系統，實現了對人體運動的識別和對場景的判斷。這項工作為喚醒技術開辟了新視野，并為持久感知提供了新途徑。相關研究以“Ultralow Quiescent Power-Consumption Wake-Up Technology Based on the Bionic Triboelectric Nanogenerator”為題目，發表在Advanced Science上。

　　文獻鏈接：DOI: 10.1002/advs.202000254

　　圖2 bTENG和喚醒系統

　　Nano Energy：柔性薄膜熱電發電機支持可穿戴式自供電壓力傳感系統可用于連續醫療保健監測

　　在可穿戴電子設備、生物醫學監測和人工智能領域，具有高靈敏度和高性價比的柔性便攜式壓力傳感器有著巨大的需求。要實現可移動操作的便攜式壓力傳感器，需要超薄、靈活、可持續的電源。在這里，北京航空航天大學Wei Zhu 教授、 Yuan Deng教授等人通過集成一個導電彈性體壓力傳感器和柔性薄膜熱電發電機(tf-TEG)來收集身體熱量，開發了一個自供電的可穿戴壓力傳感系統。采用激光雕刻技術，通過表面微結構的可控設計，實現靈敏度可調的壓力傳感器。為了為壓力傳感器提供可靠和可再生的電源，柔性tf-TEG采用高導熱絕緣薄膜作為吸熱材料，柔性水凝膠作為散熱器，從而產生較大的溫度梯度，用于大功率發電。特別是，自供電系統的壓力敏感性獨立于整個tf-TEG的溫度梯度，使其能夠在人類皮膚和周圍環境的各種溫差下保持穩定的性能。在這項工作中首次提出的自供電壓力傳感系統能夠連續監測人體生理信號和身體運動，完全由可附于皮膚的tf-TEG供電，不需要電子推進電路。相關研究以“Self-powered wearable pressure sensing system for continuous healthcare monitoring enabled by ?exible thin-flm thermoelectric generator”為題目，發表在Nano Energy上。

　　文獻鏈接：DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.104773

　　圖3 集成tf-TEG和柔性壓力傳感器的自供電可穿戴壓力傳感系統的原理圖描述和結構

　　Nature Commun.：液態金屬基高性能單層SnS壓電納米發電機的合成

　　IV族單硫系化合物單分子層的強壓電效應，加上其固有的靈活性，使其有可能用于開發柔性納米發電機。SnS由于其良好的半導體特性是納米發電機的潛在選擇。到目前為止，由于S的孤對電子存在強烈的層間相互作用，獲得大面積和高結晶的單層SnS具有挑戰性。墨爾本皇家理工大學Yongxiang Li教授、新南威爾士大學Kourosh Kalantar-Zadeh教授等人報道了利用液態金屬基技術合成單晶平面和大面積單層SnS。表征證實了原子薄SnS的形成，其載流子遷移率為~35 cm2 V -1 s -1，壓電系數為~26 pm V -1。壓電納米發電機使用SnS單分子層在0.7%應變時輸出電壓峰值為150mv。這種穩定而靈活的單層SnS可以應用到各種系統中，以實現高效的能源收集。相關研究以“Liquid metal-based synthesis of high performance monolayer SnS piezoelectric nanogenerators”為題目，發表在Nature Commun.上。

　　文獻鏈接：DOI: 10.1038/s41467-020-17296-0

　　圖4 二維SnS的合成、示意圖表示和特征

　　EES：雙摩擦電納米發電機驅動自供電電催化空氣直接合成氨

　　常溫常壓電催化還原法是替代傳統氨合成方法的一種有前景的低能耗、生態友好的途徑，是目前能耗和溫室氣體排放最大的化學工藝之一。在本研究中，北京納米能源研究院Wei Tang教授、王中林教授等人利用摩擦電納米發電機(TENG)建造了一個以空氣為氮源的電催化氨合成系統，該系統具有自供電、環保、低成本、設備制造、可擴展的特點。氮固定和電催化還原可以通過引入高產量的雙TENG結構同時進行。利用針板結構來實現空氣排放，從而獲得用于進一步水電解質形成的NOX。此外，利用TiO2作為催化劑的電化學電池合成氨。自供電電催化系統在3.5 m3 min-1的模擬廢氣驅動下，每小時氨產率達到2.4μg h-1。相關研究以“Self-Powered Electrocatalytic Ammonia Synthesis Directly from Air as Driven by Dual Triboelectric Nanogenerators”為題目，發表在EES上。

　　文獻鏈接：DOI: 10.1039/D0EE01102A

　　圖5 設計原理圖

　　Nano Energy：混合納米發電機改善海浪沖擊能量收集自供電應用

　　英國南安普敦大學Ulises Tronco Jurado教授描述了一種位于水結構界面，改善沿海波浪沖擊能量收集系統輸出功率性能的替代方法。這是通過同時耦合摩擦電和壓電效應來實現的。有限元建模和實驗電特性的使用，使混合設備集成到一個水波發生器。這提供了一個機制，在低頻率(0.7 Hz  -3 Hz)下模擬實際的海浪條件。與使用單個摩擦電和壓電納米發電機相比，輸出性能提高了2.24和3.21倍。這是通過評估由多達四個連接不同電容值的混合裝置組成的電網的輸出電流、電壓、轉移電荷和充電性能來證明的。這種混合裝置能夠為單向無線發射器提供功率，輸出功率在340.85 μW至2.57 mW之間，并向2m至8m的不同距離的接收器發送信號。研究表明，這種集成裝置可以為開發高性能的海浪沖擊能量收集機制提供一個很有前途的機制，以驅動平均功率消耗為1  -100mW的自供電系統。此外，據估計，通過建造大型水混合納米發電機結構接口，可產生約21.61 W的輸出功率，用于智能大規模應用中的自供電傳感系統的網絡。相關研究以“Grid of hybrid nanogenerators for improving ocean wave impact energy harvesting self-powered applications”為題目，發表在Nano Energy上。

　　ACS Nano：透明摩擦感應智能窗

　　自供電的智能窗戶是可取的，期望它們的節能，天氣獨立，用戶可控，和微型性能。最近開發的太陽能熱電智能窗很大程度上取決于天氣情況，反應非常慢，只有一部分節省下來的能量可以通過外部電路用于模式轉換。在這項工作中，香港中文大學Yunlong Zi教授開放了一個自供電的通常透明的智能窗口是由一個旋轉獨立滑動摩擦電子納米發電機(RFS-TENG)和一個聚合物網絡液晶(PNLC)電池組成。為了制備PNLC電池，構建了具有隨機分布微域的取向層來封裝LC聚合物和向列型LC的混合物。由于嵌入的微疇和密集的LC聚合物網，智能窗暴露在交變電場下的不透明度得到了顯著改善。超高的渾濁度大大降低了LC驅動所需的電荷密度，從而實現了驅動TENG。采用6個周期性彎曲摩擦電膜和Ag電極精心設計的RFS-TENG具有超低摩擦磨損，滿足頻率要求以實現穩定的不透明度。通過從周圍環境中收集機械能量，摩擦誘發的智能窗可以使許多領域受益，如自供電的天窗、風力驅動的智能農業系統等。相關研究以“Normally Transparent Tribo-Induced Smart Window”為題目，發表在ACS Nano上。

　　AEnM：基于靜電感應和介電擊穿效應設計的雙模摩擦電納米發電機用于收集機械能

　　由于其重量輕、成本低、效率高(特別是在低工作頻率下)的優點，摩擦電納米發電機(TENG)被認為是自供電傳感器網絡和大規模可再生藍色能源的潛在解決方案。而傳統的TENG只能通過靜電感應或靜電擊穿來將機械能轉化為電能。北京納米能源與納米系統研究所王中林教授、Jie Wang教授等人介紹了一種新型雙模TENG，它可以在單個器件中通過靜電感應和介質擊穿同時獲取機械能。在互補工作機理的基礎上，通過一個單一的機制，通過兩個張力和，實現了輸出性能的極大提高，揭示了介電層厚度對摩擦帶電、靜電感應和空氣擊穿的影響。本研究建立了一種優化張力的新方法，并為同時研究摩擦帶電、靜電感應和介質擊穿提供了一種新工具。相關研究以“Rationally Designed Dual-Mode Triboelectric Nanogenerator for Harvesting Mechanical Energy by Both Electrostatic Induction and Dielectric Breakdown E?ects”為題目，發表在AEnM上。