通過摩擦納米發電機的高電壓直接驅動的電響應材料和器件研究獲進展

自2012年被發明以來，摩擦納米發電機（Triboelectric Nanogenerator, TENG）發展成為能源收集的主流技術之一。由於TENG的工作原理是基於摩擦起電效應和靜電感應效應，TENG的開路電壓很高。對於具有電響應特性的高內阻材料，TENG可以直接有效地驅動或者精確控制它們，這是實現自驅動智能系統的最直接的組合方式。對比其他自驅動電壓電源，TENG具有結構設計靈活、成本低廉和選材範圍廣等優點，尤其在低頻機械能收集方向具有很大的應用前景。

近日，中國科學院北京納米能源與系統研究所在《先進功能材料》雜誌上發表特邀綜述，著眼於可以被TENG的高輸出電壓直接驅動的材料和器件，概述了已報道的各種可以與TENG成功結合的應用方向，包括介電彈性體、壓電陶瓷、鐵電材料等功能材料，靜電驅動器、靜電空氣凈化器以及場發射和質譜儀等智能器件。同時，文章總結了選擇材料和器件與TENG相互結合的關鍵因素，總結了TENG作為直接電源面臨的挑戰和對於該領域未來研究的展望。

以TENG為核心的自驅動系統是納米能源所所長、首席科學家王中林提出的納米能源領域包含的重要方向之一，而TENG與各種功能材料和系統的結合是實現自驅動系統的最直接的方法，具有重要的研究價值。目前，在該方向上的主要進展如下：基於介電彈性體的人工肌肉、智能開關、智能光柵等；基於壓電陶瓷的微型光調製驅動器；基於鐵電材料的記憶裝置；靜電操縱器用於驅動和操縱微流體和微小物體；靜電吸附和空氣凈化器；電子激發、離子發生器和攜帶型質譜儀等。在選擇合適的技術與TENG結合的時候，研究人員傾向於選擇具有較高絕緣特性的材料和器件，可以很好地保持住TENG產生的靜電荷並且可以有效地利用TENG的高輸出電壓。其次，需要目標器件具有低功耗的特點，可以很好地配合TENG的輸出能力。最後，研究人員希望與TENG結合的技術具有獨特的功能，這樣可以豐富TENG的應用領域。

另一方面，以TENG為核心的自驅動系統可以發展出許多獨特的功能。首先，TENG的自驅動特性可以從各種場景中吸取能量，代替原有的電源，實現對攜帶型的無源系統。其次，TENG可以瞬時把機械能轉化為電信號，實現人機交互的橋樑。此外，在高電壓器件的應用方向上，TENG有限的輸出電荷可作為一種高靈敏的自保護措施，在出現電擊穿等危險的時候快速降低輸出電壓，保護周圍的人體和器件。因此，傳統的電響應智能材料和器件，在與TENG結合之後可以誕生出很多新的和有應用價值的功能。隨著TENG性能的不斷提高，以及在應用領域的不斷探索，各種多功能的複合系統會不斷地被開發出來。

相關研究工作發表在近期的Adv. Funct. Mater上 (Electrically Responsive Materials and Devices Directly Driven by the High Voltage of Triboelectric Nanogenerators.DOI: 10.1002/adfm.201806351)，王中林和陳翔宇是文章的共同通訊作者。

TENG和用於功能自供電系統的電響應材料/器件的組合。涵蓋人工肌肉、微型執行器、記憶裝置、靜電操縱器、空氣凈化、電子激發和離子發生器等。

來源：中國科學院北京納米能源與系統研究所

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