重庆大学物理学院胡陈果教授课题组在Energy &amp Environmental Science发表研究成果

2021年8月23日，重庆大学物理学院胡陈果教授课题组在Energy & Environmental Science上发表了题目为“一种基于摩擦起电和空气击穿耦合效应的逆变摩擦纳米发电机”（An inverting TENG to realize the AC mode  d on the coupling of triboelectrification and air-breakdown）的研究论文。重庆大学为唯一单位，重庆大学博士生单春才为第一作者，重庆大学胡陈果教授、刘安平副教授和刘文林博士（现为北京大学博士后）为共同通讯作者。

随着物联网技术的快速发展，使得分布式电子器件的社会需求随之迅猛增长。其中，具有能量自供给特性的自驱动技术吸引了越来越多的关注。摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator: TENG）是一种可将环境中各种机械能转化为电能的新兴技术，此外，由于其大电压特性还可用于以高灵敏度感知机械运动。目前，摩擦纳米发电机有两种输出模式，一种是基于摩擦起电和静电感应耦合形成的交流输出模式，另外一种是基于摩擦起电和空气击穿耦合的直流输出模式。众所周知，可以通过整流效应实现交流到直流的转换，则从对称性论证来看，这里应该有基于摩擦起电和空气击穿耦合的逆变输出机制（即将直流电转换为交流电输出）。然而，目前没有摩擦纳米发电机的逆变输出模式的报道。因此，探索具有新颖特性的摩擦纳米发电机输出新模式对完善TENG技术具有重要意义。

该论文首次提出了通过交替极性设计的摩擦材料分布来实现了摩擦起电和空气击穿的有效耦合，成功构建了能将直流输出转换为交流输出的逆变摩擦纳米发电机（I-TENG）。与传统交流模式的固定输出波形不同，I-TENG首次实现了交流信号的脉宽比和幅值比的可调节，具体的是通过调节两种相反极性摩擦材料的分布宽度和电负性差异来改变交流信号的脉宽比和幅值比。基于此，设计了一个实时的计算机模拟小车位移和方向控制器，通过调节在一种材料上滑行距离来改变小车运动距离，更重要的是，当滑块移动到另外一种摩擦材料时，小车可以随之改变运动方向，表明了这是一个非常灵敏和高效的控制系统。这项工作验证了摩擦纳米发电机的对称输出机制，I-TENG独特的输出性质赋予了它在构建未来的自供电智能系统中更多的优势。

文章链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ee/d1ee01641e/unauth

图示：（a）直流和交流输出模式转换示意图。（b）逆变式摩擦纳米发电机的三维结构示意图。（c）逆变发电机的实际器件图。（d）发电机的动子和定子的接触图，清晰可见电荷收集电极与摩擦表面具有间隙。（e）聚酰亚胺薄膜的扫描电镜图。（f）尼龙薄膜的扫描电镜图。（g）逆变发电机的工作原理图。（h）电荷输出曲线。（i）电流输出曲线。