黃 滔,覃愛苗,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)電是通過電磁感應(yīng)發(fā)電機將水能轉(zhuǎn)換成電能,但是這種水力發(fā)電只能在高頻下進行。實際上,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,王中林教授及其團隊[2-3]發(fā)明的納米發(fā)電機能有效地收集機械能并轉(zhuǎn)化為電能。與傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)不同,納米發(fā)電機是通過壓電效應(yīng)或摩擦效應(yīng),采用位移電流作為驅(qū)動力,有效地將機械能轉(zhuǎn)換為電能或信號的裝置。根據(jù)轉(zhuǎn)化形式不同,通常把這兩種類型的納米發(fā)電機稱作壓電納米發(fā)電機(PENG) 和摩擦納米發(fā)電機(TENG)。TENG 在微納能源、自供電傳感、藍色能量采集、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(LS-TENG)就是通過液體和固體摩擦電材料之間的接觸帶電效應(yīng)有效地收集機械能,并通過簡便的方式轉(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、機械耐久性和穩(wěn)定性等優(yōu)點[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)電機的主要類型、工作模式及其在能量收集和傳感器方面的代表性應(yīng)用進展,并簡述了其面臨的挑戰(zhàn)。

1 接觸起電和摩擦納米發(fā)電機

1.1 接觸起電

接觸起電(也稱摩擦電,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間、任何地點。盡管這種現(xiàn)象普遍發(fā)生,但對摩擦起電機理的理解一直存在爭議,至今尚無定論。最近,一些使用開爾文探針力顯微鏡(KPFM)對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]。當兩種材料相互接觸并分離時,電荷會從一個表面轉(zhuǎn)移到另一個表面。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,電荷通過不同的途徑產(chǎn)生,如摩擦起電。有研究報道,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摩擦電序列進行量化[16],如圖2 所示。當物體接觸具有正電荷親和力的材料往往趨向于帶正電,而接觸具有負電荷親和力的材料更容易帶負電。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)電過程中,電荷轉(zhuǎn)移可以通過麥克斯韋經(jīng)典理論來描述。而TENG 的物理性質(zhì)是由電勢(Φ)、電場(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,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展麥克斯韋方程組,在電位移矢量D中引入極化場Ps來展開和描述,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誘導(dǎo)極化。從公式(2)中可以看出,位移電流由兩項組成,第一項是時變電場產(chǎn)生的電流,第二項是表面靜電荷極化場引起的電流,而第二項是LS-TENG 的真正理論來源。

1.2 摩擦納米發(fā)電機

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

摩擦納米發(fā)電機(TENG)是王中林教授于2012 年提出的[19],它可以通過摩擦電效應(yīng)將機械能高效地轉(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、水平滑動模式、單電極模式和獨立層模式。而根據(jù)摩擦納米發(fā)電機的接觸面材料狀態(tài)的不同可分為三類: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)電機主要在低頻(通常小于10 Hz)下將機械振動轉(zhuǎn)化為電能[21-23],電能來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)電機中,離子轉(zhuǎn)移和電子轉(zhuǎn)移同時發(fā)生,在某些情況下,電子轉(zhuǎn)移甚至占主導(dǎo)地位[25-28],因此電能主要來源于液固界面的電子轉(zhuǎn)移。作為液體-固體納米發(fā)電機的延伸,也出現(xiàn)了液體-液體摩擦納米發(fā)電機,Wang 等[29]設(shè)計了一種新型的磁場輔助非接觸式液體-液體TENG,由于其減少了TENG 摩擦界面上的摩擦,提高了TENG 傳感器的測試精度。

2 液體-固體界面摩擦納米發(fā)電機

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。一般來說,物體的疏水性依賴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、車窗防霧等[30]。在納米發(fā)電機中,超疏水界面可以降低滑動或滾動角以及液滴的附著力,利用這種特性,可以自動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,從而促進納米發(fā)電機中的電荷產(chǎn)生。以LS-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,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鍵,同時表面的電離反應(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理研究尚未清晰,2018 年,Wang 等[31]同時考慮了電子轉(zhuǎn)移和離子吸附,首次提出了一個混合雙電層模型(EDL,簡稱“王” 氏混合層)。首先,由于液體中的分子和離子的熱運動及來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” 過程[9]Fig.3 Wang's hybrid EDL model and the “two-step” process on its formation[9]

實際上,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一步增加,并提出了一個光激發(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現(xiàn)象,如圖4 所示。光激發(fā)電子轉(zhuǎn)移模型不僅進一步闡明了接確起電在液-固界面的作用機理,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)實驗示意圖;(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)電機的類型和原理

自TENG 發(fā)明以來,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,在接觸時接觸面積和接觸緊密度會受到一定的限制。與固體-固體界面相比,液體具有流動特性,液-固接觸時會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、滑動模式、單電極模式和獨立模式,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,聚合物膜會帶負電,同時帶正電的EDL 在水面上產(chǎn)生,以保持電中性。隨著聚合物膜和水分離,帶負電荷的聚合物膜和帶正電荷的水在它們之間形成電勢差[34](圖5(a))。在滑動模式下(圖5(b)),液態(tài)金屬與PTFE 接觸時,PTFE 與液態(tài)金屬的吸電子能力不同,電子被注入PTFE 表面,當PTFE 向上移動時,表面上的摩擦電荷將驅(qū)動電子通過外部電路從感應(yīng)電極移動到液態(tài)金屬[35]。然而基于接觸-分離模式和滑動模式的LS-TENG 有一個缺點,即不能從自由、隨機運動的物體中獲取能量,而基于單電極模式的LS-TENG 則表現(xiàn)出收集移動物體的能量更容易[36],圖5(c)是一個典型的單電極模式的LSTENG,在水滴滴落并沖擊聚合物薄膜時即可獲取能量。獨立模式的LS-TENG 通常設(shè)計有一對電極,分別對稱地置于薄層電介質(zhì)之下(圖5(d)),當液體沿著TENG 的表面流動時,電介質(zhì)薄層通過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)電荷呈不對稱分布,導(dǎo)致電極之間存在電勢差。

圖5 液體-固體界面的TENGs 的四種模式。(a)接觸-分離模式;(b)滑動模式;(c)單電極模式;(d)獨立模式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。用水輪機水力發(fā)電就是根據(jù)法拉第定律將滴落的水或流動水的動能轉(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],以同時滿足能量采集和電輸出的需求。LS-TENG 因其本身的特點,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、信號采集以及混合動力等。

3.1 液體-固體界面摩擦納米發(fā)電機應(yīng)用于能量收集

3.1.1 藍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]和藍色能源[41]。早在幾年前,Chen 等[42]報告了一種利用設(shè)計網(wǎng)絡(luò)來大規(guī)模收集水能的摩擦電納米發(fā)電機,即網(wǎng)格納米發(fā)電機(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TENG 的電極。自然漂浮在水面上的TENG-NW 可將緩慢、隨機、高強度的振蕩波能量轉(zhuǎn)化為電能。根據(jù)測量的單個TENG 的輸出功率,預(yù)計TENG-NW 在1平方公里表面積上的平均輸出功率為1.15 MW。總之,TENG-NW 具有重量輕、成本效益高、環(huán)境友好、易于實施、可漂浮在水面等特點,不僅可以用于采集來自海洋的強烈波浪運動,還可以應(yīng)用于其他各種場景,如湖泊、河流等。TENG-NW 為藍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)計了一種基于液滴的摩擦電納米發(fā)電機(DB-TENG),它具有簡單的開放式結(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)動的轉(zhuǎn)移電荷(Qtr)、短路電流(Isc)和開路電壓(Voc)分別可達到30.7 nC,52 nA 和77 V,表面電荷密度可以達到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35 個綠色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在電容器中供后續(xù)使用,一個0.47 μF 的電容器可以在4.1 s 內(nèi)充電到約4 V。這種簡單的開放式結(jié)構(gòu)DB-TENG 具有可觀的輸出性能和實際應(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)在試驗船上按比例放大的DB-TENG 照片(比例尺,6 cm),插圖是實際試驗裝置的照片;(b)演示DB-TENG 作為電源點亮水箱中的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;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、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)電機來收集可穿戴設(shè)備周圍的分布式機械能已有報道。

Ye 等[45]報道了一種全織物納米發(fā)電機(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)過優(yōu)化組成和結(jié)構(gòu),該FTENG 在液滴滴落時所輸出電壓比傳統(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,可同時獲取人體運動機械能和水滴能量。

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;(h)為LED 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,它可以同時收集多種“高熵” 動能,包括人體運動、雨滴和風(fēng)。該發(fā)電機將獨立式摩擦納米發(fā)電機(F-TENG)和接觸分離式摩擦納米發(fā)電機(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,而人體運動可產(chǎn)生超過120 V 的電壓,峰值功率密度約為500 mW/m2。收集的電能可以儲存在電容器中,為小型電子設(shè)備供電。這種收集雨滴動能和沖擊能的織物可穿戴液固界面摩擦納米發(fā)電機在動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)點和局限,提出了混合動力發(fā)電機[47],Zhong 等[48]設(shè)計了一種基于石墨烯的二維(2D)混合納米發(fā)電機,在晴天通過捕捉陽光而在雨天通過水流來發(fā)電,成功將太陽能和雨滴能相結(jié)合,從而達到無論晴天還是雨天,混合動力發(fā)電機都能持續(xù)輸出電能的目的。

Chung 等[49]開發(fā)了一種便攜式的基于水晃動的摩擦電納米發(fā)電機(PS-EG),如圖8(a)所示,由一個含有水的介質(zhì)容器(全氟烷氧烷,PFA)、一個中心電極和一個外部電極組成。該PS-EG 可產(chǎn)生高電壓輸出,并實現(xiàn)了針對便攜式應(yīng)用的閉環(huán)電路設(shè)計和定量分析。當振動頻率為2 Hz 時,PS-EG 產(chǎn)生峰值開路電壓(Voc)和短路電流(Icc)分別高達484 V 和4.1 mA。該PS-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(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)電機的另一個新興應(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]報道了一種薄的可植入性TENG,可以有效收集超聲波并通過皮膚和液體來傳遞機械能,展示了一種能夠有效獲取機械能的可植入式LS-TENG。

在能量收集方面,LS-TENG 為收集機械能開辟了新路徑。它的優(yōu)勢在于時間、天氣等因素對其影響小、工作模式豐富,為廣泛收集低頻能量提供了切實可行的方法。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)電形式的補充,以提高利用效率,這樣對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)電機應(yīng)用于傳感器

隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展,越來越多的物體間需要相互通信和追蹤。LS-TENG 可通過液-固界面作用輸出的電信號與環(huán)境中的被測信息建立聯(lián)系,并獲取目標信息。在外部機械等運動的觸發(fā)下,LS-TENG 可發(fā)出電流和電壓信號,根據(jù)信號的大小和特征,可用于自供電傳感、信號采集及化學(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(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)任何不同的水波運動,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,其產(chǎn)生的電能可成功地被存儲和釋放,可用于無線信號傳輸,為NI-TENG 在自供電無線傳感等實際環(huán)境中的應(yīng)用,如常規(guī)的海洋水文監(jiān)測、污染檢測、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(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)動無線信號傳輸?shù)难b置;(d)電容器的電壓由NI-TENG 充電然后放電,以循環(huán)方式為無線信號傳輸供電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 傳感的信號采集

在信號采集方面,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)計了不規(guī)則光柵結(jié)構(gòu)的TENG,通過TENG 采集雨滴的隨機特性,從自然界收集隨機信號。圖10 為水滴觸發(fā)后RNG 的典型輸出信號。實驗表明,TENG 可以精確提取水滴在自身功率下的隨機特征,并以此作為產(chǎn)生隨機數(shù)的來源,根據(jù)推導(dǎo)出的數(shù)字序列的統(tǒng)計特性、自相關(guān)性和重復(fù)性的系統(tǒng)研究表明,由該隨機數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的隨機數(shù)具有可信的隨機性。該研究提供了一種低成本、實用、有效的生成真隨機數(shù)的方法,可廣泛應(yīng)用于密碼協(xié)議、數(shù)字簽名、認證、身份識別等信息安全領(lǐng)域。

圖10 水滴觸發(fā)后RNG 的典型輸出信號[55]。(a～c)當TENG 被不同位置的單個水滴觸發(fā)時,自供電RNG 產(chǎn)生的電信號如插圖所示;(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為基礎(chǔ)的摩擦納米發(fā)電機(NW-TENG),并形成兩個自供電靜電操縱系統(tǒng)(EMSs)。TENG 輸出信號的變化會影響電場的強度、形式、頻率等參數(shù),并由于力的變化而產(chǎn)生不同的液滴運動行為,利用TENG的交變電場實現(xiàn)宏觀帶電液滴的往復(fù)運動。結(jié)果表明,液滴的運動周期比普通直流穩(wěn)壓電場短(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)境中運動行為的新方法。

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[57]、環(huán)境溫度濕度測試[58]、金屬陰極保護[59]以及用于臨床實時的輸液監(jiān)測[60]等。在化學(xué)生產(chǎn)作業(yè)中常需要對腐蝕性流體進行實時監(jiān)測,Ma等[61]制備了一種基于全纖維單電極TENG 紗的智能化學(xué)防護服,該防護服帶有生物運動能量采集和自動安全監(jiān)控系統(tǒng),檢測突然發(fā)生的化學(xué)泄漏,監(jiān)控人類實時生活信號,并在緊急情況下觸發(fā)警報,保護人體免受化學(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)量分數(shù)3.5%NaCl溶液中實現(xiàn)了A3 碳鋼的自供電防腐,通過并聯(lián)或串聯(lián)電路設(shè)計,可以實現(xiàn)對金屬材料更有效的陰極保護。

Li 等[58]采用對溫度敏感的聚己內(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。該裝置被安裝在手臂上用于人體溫度的檢測,為人們提供便攜快捷的測溫方法。同時在LS-TENG中,輸出性能的變化與材料濕度的變化趨勢一致[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監(jiān)測材料的濕度變化。

4 結(jié)語與展望

TENG 是通過收集各種不同形式的機械能轉(zhuǎn)化為電能的裝置,在“物聯(lián)網(wǎng)時代” 扮演著一個重要角色。LS-TENG 作為TENG 中的一種類型,其具有成本低、環(huán)境友好、易于實施和多功能應(yīng)用等特點,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。本文綜述了近年來關(guān)于LS-TENG 的發(fā)電機理、主要類型和結(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理并拓展其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑹茄芯繜狳c。將材料的選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計相結(jié)合,有望成為進一步優(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 取得了一定進展,但仍有一些問題有待進一步解決。例如,液體-固體界面對電荷產(chǎn)生和轉(zhuǎn)移的基本機理還有待深入探討。LS-TENG 的性能優(yōu)化還有待提高。首先在結(jié)構(gòu)方面,獨特的材料結(jié)構(gòu)能有效地增加LS-TENG 的輸出功率,通過優(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,其平均功率相對較低,大規(guī)模應(yīng)用還具有挑戰(zhàn);最后從本質(zhì)上來說,器件的制備和材料的選擇與它們的應(yīng)用場景密不可分,因此,無論是已經(jīng)大規(guī)模研究的LS-TENG 器件,還是研究人員準備開發(fā)的新器件,最終目的應(yīng)該是能夠解決更多相關(guān)領(lǐng)域的實際問題,因而設(shè)計具有較高穩(wěn)定性的LS-TENG 也非常重要,實現(xiàn)在現(xiàn)實環(huán)境中的應(yīng)用還有較長的路要走。