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重庆大学物理学院胡陈果教授课题组在Nature Communications发表研究成果

作者 : 物理学院 魏娟

日期 : 2020-08-27
摘要
2020年8月26日,重庆大学物理学院胡陈果教授科研团队的研究论文文以重庆大学为第一单位和通讯单位在Nature子刊Nature Communications上发表。

2020年8月26日,重庆大学物理学院胡陈果教授科研团队的研究论文“Boosting output performance of sliding mode triboelectric nanogenerator by charge space-accumulation effect”(利用电荷空间积累效应提高滑动模式摩擦纳米发电机的输出性能)以重庆大学为第一单位和通讯单位在Nature子刊Nature Communications上发表。重庆大学博士生贺文聪和刘文林为共同第一作者,重庆大学胡陈果教授和郭恒宇教授为共同通讯作者。

从环境中获取能量用于自供电分布式传感器网络已成为物联网的一个重要发展方向。基于摩擦起电和静电感应的摩擦纳米发电机(triboelectric nanogenerator,TENG),具有重量轻、材料多样、容易制造、低成本等特点,引起了极大关注。然而,低表面电荷密度是TENG的输出性能和应用的瓶颈。为了提高TENG输出性能,人们进行了大量提高其表面电荷密度的研究工作,如内部材料优化、表面物理/化学改性、离子注入、环境控制等。在最新的工作中,接触分离式(CS-)TENG通过电荷激励和改善接触实现了2.38 mC m-2的电荷面密度。与CS-TENG不同的是,滑动式(S-)TENG在将平面运动(如往复和旋转)转换为电能时具有高效率、连续性和高输出等特点,极具商业化前景。但是由于材料的表面改性和电荷激发并不能很好地应用在S-TENG,因此在提高其输出性能上没有取得实际突破。因此,提出最大限度地提高S-TENG的表面电荷密度的方法是迫切需要的。

该论文提出了一种新颖的电荷空间积累滑动式摩擦纳米发电机(CSA-S-TENG)以提高表面电荷密度。分析了表面电荷累积的基本机理,发现空气击穿效应和材料表面电子态是限制滑动模式TENG输出的关键因素。因此,研究者提出了利用屏蔽电极抑制内部空隙中空气击穿,并通过进一步增加空白摩擦区域来实现电荷空间积累效应的策略,大大提高了CSA-S-TENG的表面电荷密度和输出功率密度,获得了高达1.63 mC m-2输出电荷密度(为传统式的2.3倍)。最后制备了转动式CSA-S-TENG,并展示了其在低频旋转能量采集和自驱动系统中的巨大潜力。这项工作提供了一个简单而有效的策略来提高S-TENG的电荷输出,也提出了高性能S-TENG设计的核心因素,为提高滑动模式TENG的电荷输出密度提供了思路和一个有前景的途径。文章链接:https://doi.org/10.1038/s41467-020-18086-4。

该研究得到了国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费的支持。


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图.a)CSA-S-TENG的三维示意图,b)传统S-TENG的工作机理及空气击穿,c)有无屏蔽电极时存在空气间隙的CSA-S-TENG的电势仿真模拟,d)初始阶段CSA-S-TENG与传统S-TENG电荷分布相同,e)经过多次循环滑动后在扩展区域产生的电荷会消散到空气中,e-h)在半个工作周期中四种状态下CSA-S-TENG的工作机理及电荷转移,i)CSA-S-TENG输出电荷密度曲线,j)优化后的双底电极CSA-S-TENG在开关处于通断时的电荷密度,k)CSA-S-TENG在不同外部负载下的输出电流,电压和峰值功率。


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余涛 责任编辑 物理学院