Joule特邀綜述：摩擦納米發電機應用于振動能採集和感測

人們的生活環境和工業生產中存在大量可以利用的機械能。自1831年邁克爾?法拉第發現電磁感應現象後，電磁感應發電機成為了目前最重要的、最廣泛的機械能採集方式。摩擦納米發電機是王中林研究組於2012年首次發明，它是繼電磁發電機後把機械能轉為電能的最有效方法。在由中科院文獻情報中心與Clarivate Analytics公司聯合面向全球發布的《2016研究前沿》報告中，摩擦納米發電機（TENG）在化學與材料科學領域中位列Top10熱點前沿第三位。

振動，是自然環境中最為常見的一種機械運動。它具有多樣的形式，廣泛的尺度，從人體的脈動到喉結的抖動，從家用電器的運行到輪胎在不平路面上的抖動，振動無處不在的出現在人們的生活中。在過去的幾十年裡面，作為一種可再生清潔能源，機械振動一直是人們進行能量採集的熱點目標。不斷的有新的振動能採集方式湧現，其中主要包括有基於電磁感應的，靜電感應和壓電效應的。但是這些工作原理，在振動能的採集和感測中，都有各自的局限性，比如說結構複雜，需要高密度的貴重材料，有的甚至需要依賴於外接電源。並且，環境中的機械振動往往處在低頻範圍，並且振動頻率也在不斷的隨時間和環境的變化而改變。因此，一個好的振動能採集或感測器件往往需要在低頻範圍內具有好的電學輸出和寬的工作帶寬。根植於接觸起電和靜電感應現象，摩擦納米發電機剛好在低頻範圍內具有優勢性的電學輸出。它具有簡單的機械結構和多樣的可設計性，使得器件在低頻範圍內有相對較寬的工作頻帶。過去5年的發展，基於摩擦納米發電機的振動能採集，能量轉換效率可以高達50%，並且在低於150赫茲的振動頻率下得到了高達127赫茲的工作頻帶。這些優異的性能再加上成本的低廉，使得TENG在振動能採集和感測領域具有無與倫比的優勢。

最近受到主編的邀請，王中林院士及其弟子陳俊博士在Cell出版社Joule上發表了題名為 「Reviving vibration energy harvesting and self-powered sensing by a triboelectric nanogenerator」的邀請綜述。這篇文章不僅全面的概述和總結了基於TENG的振動能採集和自供電感測，常見的機械能採集技術的比較，而且還廣泛的涵蓋了TENG領域內的其他核心問題，包括材料摩擦電係數的選擇和比較，納米尺度下物理/化學的修飾，及其對器件性能的影響，常用的提高發電機健壯性的方式，以及當前TENG領域內的關鍵問題和對未來研究的展望。

圖（1）：一張圖總結當前基於摩擦納米發電機（TENG）的振動能採集和感測。

從結構上來說，基於摩擦納米發電機的振動能採集和感測主要依賴於彈簧，彈性塑料等其他彈性體來提供回復力以實現周期性的摩擦面的接觸和分離。這些彈性體的機械力學性質很大程度上決定了TENG的頻率響應。對於基於TENG的聲波，人體脈衝或者其他微弱機械振動的能量採集和感測，一般是通過將環境中的振動轉換成薄膜的振動來實現的。在這個過程中，如何選擇薄膜的厚度和機械彈性，以及通過結構設計來減少空氣的阻尼是至關重要的。

更多細節，請參見文獻：

Jun Chen & Zhong Lin Wang. Reviving vibration energy harvesting and self-powered sensing by a triboelectric nanogenerator.Joule, 2017, DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.joule.2017.09.004

材料牛整理編輯。

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