登录
 机构网站
  1. 首页
  2. 情报产品
  3. 快讯详情

《王中林院士Nature Communications：超高摩擦电荷密度刷新摩擦纳米发电机性能记录 – 材料牛》

  • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者： 姜山
  • 发布时间：2017-07-25

  • 引言

    人们一直致力于研究维持现代社会的巨大能源消耗的同时最小化环境消耗。从可再生的自然源（如太阳能、风能和生物质能）收集能量，已经被证实是应对能源危机的可持续可供选择的方向，而且在化石燃料快速消耗的今天扮演着越来越重要的角色。最近发明的摩擦纳米发电机具有质量轻、价格低廉，甚至在低工作频率下仍然高效等先天优势，已经被证实是一个具有深远意义的解决方案。通过收集环境中的机械能——日常生活中普遍存在却被浪费掉的能量，摩擦纳米发电机在自驱动传感网络和大规模可再生蓝色能源领域均有很好的应用前景。

    作为一种能量收集器件，摩擦纳米发电机的应用及商业化强烈地依赖于它的功率密度，而功率密度又与摩擦电荷密度成二次方关系。因此，人们一直致力于通过改善材料、结构优化和表面修饰等方法来提高摩擦电荷的密度，但此前所有研究中的可利用摩擦电荷密度都受到空气击穿现象的困扰。

    成果介绍

    近日，在中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长、佐治亚理工学院校董教授王中林院士的指导下，王杰研究员、吴昌盛博士生和戴叶婧副教授等研究人员首次利用真空环境和铁电材料将可输出摩擦电荷密度提高了一个数量级、最大输出功率密度提高了两个数量级。基于常规的由铜薄膜和聚四氟乙烯薄膜组成的摩擦纳米发电机，相关科研人员先是利用软接触和碎片结构使摩擦表面得到更为有效的利用，将空气中的摩擦电荷密度从50 µC m-2增大到120 µC m-2。接着，利用高真空环境将空气击穿的影响降至最低，把摩擦电荷密度进一步提升到660 µC m-2，创造新的历史记录。最后，研究人员在聚四氟乙烯薄膜下引入铁电材料，将摩擦起电的表面极化和铁电材料的电滞介电极化进行耦合，使得摩擦电荷密度进一步跳跃到了1003 µC m-2。这把即使是在普遍低速运动下（2 Hz）的传统摩擦纳米发电机的最大输出功率密度提高了两个数量级，从0.75 W m-2提高到了50 W m-2。 相关工作以题为“Achieving ultrahigh triboelectric charge density for efficient energy harvesting”于今年7月20日发表在Nature Communication，通讯作者为北京纳米能源与纳米研究所的王中林院士。

    小结

    这些研究结果极大地提高了TENG的输出能量，不仅刷新了TENG的性能记录，同时还建立新的优化模式。所用到的高真空环境不仅仅能保证TENG的更好的性能，同时排除了由于自然的灰尘和空气水分积累带来的性能下降。这些都能够显著提高基于TENG的自供电可穿戴电子器件和蓝色能源网络的应用前景。这个工作也提供了对于制约TENG性能的因素的新见解，并有利于揭示长期悬而未决的摩擦起电机理以及它的动力学过程。 。

    文献链接：Achieving ultrahigh triboelectric charge density for efficient energy harvesting，http://www.nature.com/articles/s41467-017-00131-4。

185浏览量
原文链接
相关报告

  • 《王中林院士Nano Energy：电荷泵浦实现超高电荷密度摩擦纳米发电机》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2018-05-31
    • 本文亮点 （1）提出了一种浮置层结构，可以积累并束缚超高密度电荷，用于静电感应 （2）设计了一种电荷泵，可以持续地向浮置层中泵送电荷 （3）在普通环境条件下，基于浮置层结构和电荷泵的电荷自泵浦TENG集成器件实现了1020μC/m2的超高有效表面电荷密度 （4）这项工作提出了一个简单而普遍的策略，可以大幅提高TENG的电荷密度以及输出 引言 摩擦纳米发电机（triboelectric nanogenerator, TENG）的工作原理基于摩擦起电及静电感应效应。表面电荷密度对于摩擦纳米发电机的性能至关重要。一般而言，TENG的输出功率与表面电荷密度呈二次方关系。在一定的接触或摩擦强度下，电荷密度主要受限于两个方面的因素：一是具有一定表面形貌的摩擦材料配对的摩擦起电能力，二是由气隙击穿引起的电荷损失。现有已提出了基于材料选择、表面改性、结构优化或环境控制等多种方法以提高电荷密度，但是这些方法仍存在着很多方面的限制，在电荷稳定性上还存在问题，或在封装等方面提出了较高的要求。 成果简介 近日，在中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长、佐治亚理工学院校董教授王中林院士和张弛研究员（共同通迅作者）的带领下，许亮博士和布天昭等人组成的研究团队为提高TENG器件的电荷密度，设计了一种具有浮置层结构和电荷泵浦能力的电荷自泵浦摩擦纳米发电机（self-charge-pumping triboelectric nanogenerator, SCP-TENG）器件。所设计的浮置层结构可以积累并束缚超高密度电荷，并产生静电感应效应，电荷泵浦可以持续地向浮置层中泵送电荷，基于两者的SCP-TENG器件在普通环境条件下，实现了1020μC/m2的超高有效表面电荷密度，达到了空气击穿电荷密度阈值的4倍左右，创造了新的电荷密度记录。更为重要的是，这项工作提出了一个简单而普遍的大幅提高TENG的电荷密度以及输出的策略，使得表面电荷密度主要取决于绝缘层的介电强度，因此，在不久的将来仍具有进一步大幅提升的潜力。由于电荷密度的提升不再依赖于更强烈的摩擦，也解决了摩擦生热及器件耐久性的问题。在电磁式发电机中，广泛采用的电磁铁通过电流激发磁场，与此相似，本工作提出采用注入束缚电荷来取代摩擦静电荷而激发电场，这一思想将可能对TENG性能的提升产生重要影响。相关成果以“Ultrahigh Charge Density Realized by Charge Pumping at Ambient Conditions for Triboelectric Nanogenerators”为题发表在了Nano Energy上。 本文提出了一种具有浮置层结构和电荷泵浦能力的SCP-TENG器件。通过浮置层结构积累并束缚超高密度电荷，采用电荷泵浦持续高效地向浮置层中泵送电荷，在普通环境条件下实现了1020μC/m2的超高有效表面电荷密度，创造了新的电荷密度记录。更重要的是，与其他电荷密度增强方法相比，这种方法容易实现且十分稳定，使得表面电荷密度主要取决于绝缘层的介电强度，因此，在不久的将来仍具有进一步大幅提升的潜力，为提升TENG器件的电荷密度以及输出性能提供了一个重要而普遍的策略。 文献链接 Liang Xu#, Tian Zhao Bu#, Xiao Dan Yang, Chi Zhang, Zhong Lin Wang, Ultrahigh Charge Density Realized by Charge Pumping at Ambient Conditions for Triboelectric Nanogenerators, Nano Energy, 2018, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.05.011（https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285518303264） 团队介绍 王中林院士：中国科学院外籍院士和欧洲科学院院士，佐治亚理工学院终身校董。佐治亚理工学院终身校董事讲席教授，Hightower终身讲席教授，工学院杰出讲席教授和纳米结构表征中心主任。首位中组部 “相关人才计划”顶尖千人与团队入选者，教育部相关人才计划讲座教授。中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家和首任所长。王中林院士的开创性工作荣获了多项国际荣誉：美国显微镜学会 1999年巴顿奖章﹐2009年美国陶瓷学会Purdy奖，2011年美国材料学会奖章(MRS Medal)，2012年美国陶瓷学会Edward OrtonMemorial 奖，2013 ACS Nano 讲座奖，2014年美国物理学会James C. McGroddy 新材料奖，2013中华人民共和国国际科学技术合作奖，2014年佐治亚理工学院杰出教授终身成就奖，2014年NANOSMAT奖，2014年材料领域世界技术奖。王院士是美国物理学会fellow, 美国科学发展协会(AAAS) fellow，美国材料学会 fellow，美国显微学会fellow，美国陶瓷学会fellow，英国皇家化学学会fellow。2015年9月24日，汤森路透集团（THOMSONREUTERS）发布了2015年度引文桂冠奖（CitationLaureates）获奖名单（诺贝尔奖风向标）。中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家、佐治亚理工学院终身校董事讲席教授王中林院士成为物理学领域获奖人之一，也是此年度该奖项唯一的华人获奖者。2017年8月23日至25日在瑞典斯德哥尔摩举行的欧洲先进材料大会上，王中林院士又以在先进材料科学和技术领域所做出杰出的贡献，而荣获2016年度先进材料奖。 王中林院士是国际公认的纳米科技领域领军人物。在一维氧化物纳米结构制备、表征及其在能源技术、电子技术、光电子技术以及生物技术等应用方面均作出了原创性重大贡献。他发明了纳米发电机，并提出了自充电纳米结构系统，为微纳电子系统的发展开辟了新途径。他开创了纳米结构压电电子学和压电光电子学研究的先河，对纳米机器人、人-电界面、纳米传感器、医学诊断及光伏技术的发展具有里程碑意义。已在国际一流刊物上发表超过1400篇期刊论文（其中，《科学》、《自然》、及其子刊40余篇），拥有200余项专利，7本专著和20余本编辑书籍和会议文集。他是Nano Energy 的发刊主编和现任主编。 许亮博士（第一作者）为中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士研究组成员，布天昭（共同一作）为中国科学院北京纳米能源与系统研究所张弛研究组成员。 附：王中林院士个人成果网址：http://www.nanoscience.gatech.edu/group/Current%20Members/Group%20Leader/Zhong%20Lin%20Wang.php 王中林院士研究组主页：http://www.binn.cas.cn/ktz/wzlyjz/yjzjjwzl/
    243浏览量
    原文链接

  • 《中国科学院北京纳米能源所李舟研究员和王中林院士团队AM：基于天然材料的生物全可吸收摩擦纳米发电机》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2018-07-04
    • 文章亮点：成功开发出基于天然材料的生物全可吸收的摩擦纳米发电机（BN-TENG）。 通过采用不同的封装结构，BN-TENG在生物体内的工作时间实现可调控，从几天到几周不等。完成功能后，BN-TENG可以在SD大鼠中被完全降解和再吸收。使用BN-TENG作为电源刺激功能失调的心肌细胞簇，可以成功加速心肌细胞簇的跳动速率并提高细胞收缩的一致性。 引言 日益增长的神经及心血管疾病对可植入医疗电子器件的需求越来越多，对其工作性能要求也越来越高。此类电子器件主要包括：植入式传感器、心脏起搏器、心脏除颤器、深脑/神经刺激器等。长期的体内植入对可植入医疗器件的体积、稳定性和生物相容性都有很高要求。现有可植入医疗电子器件的电源主要依赖于商业可充电及不可充电电池。此类商用电池在实际使用过程长常出现发热、容量减小及内部变性等问题。一旦此类电源达到使用寿命，病人不得不接受二次手术将其从体内取出，该过程对病人心理及经济带来极大负担。因此，急需开发一种新的电源给植入式电子器件供能，为解决上述问题提供可行的方案。 近年来，摩擦纳米发电机（TENG）已被证明能够高效地将环境机械能转化为电能，其原理是基于摩擦起电效应和静电感应之间的耦合。这种新兴的技术为自驱动电子设备提供了一种解决方案。先前的研究表明，TENG能有效地将生物机械能转化为电能，并应用于心脏起搏器、健康监测及细胞和组织工程等领域中。2016年，基于人工合成聚合物材料的全可生物降解的TENG首次被报道。但是，这些聚合物材料通常价格昂贵且含有潜在的有害化学物质。与这些人工合成聚合物相比，天然材料聚合物因其低成本，来源广，可持续和生物相容性良好等特点而受到越来越多的关注。这使得它们在生物医学领域被广泛应用，如药物输送，可吸收缝线和血管支架等。这些天然生物可吸收聚合物（NBPs）主要包括纤维素，甲壳素，丝素蛋白（SF），米纸（RP），蛋清（EW）等。它们具有优异的生物降解性、易加工性和良好的成膜性，这使其非常适合作为TENG的组成材料并应用于生物体内。 成果简介 近日，中国科学院北京纳米能源所王中林院士，李舟研究员和北京航空航天大学樊瑜波教授课题组（共同通讯作者）在国际顶级期刊 Advanced Materials上发表 “Fully Bioabsorbable Natural‐Materials‐Based Triboelectric Nanogenerators”的论文，江文博士，博士生李虎和刘卓为该文章共同第一作者。研究人员利用五种自然来源的可降解材料（纤维素/甲壳素/丝素蛋白/米纸/蛋清）开发出不同类型的纯天然生物全可吸收摩擦纳米发电机（BN-TENGs）。该工作对五种天然材料进行两两组合测试，对其摩电序进行了排列，为将来设计天然可降解BN-TENGs，以及其他能源收集器件的结构及材料选择提供了研究基础和数据。 该工作开发的纯天然生物全可吸收BN-TENGs具有良好的生物相容性，生物降解可调节性及生物可吸收性。此外，其还具有高效的生物机械能转化效率，BN-TENGs可实现在体内及体外正常工作，并将生物机械能有效转化为电能，BN-TENGs最大输出电压可达55V，电流可达0.6μA，功率密度可达21.6mW m-2。通过采用不同的封装方法，该工作实现了BN-TENGs在体内及体外的可控降解。 同时，研究人员将开发的BN-TENGs作为电压源用于功能失调的心肌细胞，成功调节了心肌细胞的跳动速率。当BN-TENGs完成预定任务后，植入到SD大鼠体内的BN-TENGs可被SD大鼠降解并吸收。该工作为心率过缓，心率不齐等疾病的治疗提供了新的研究方案。此外，该工作开发的BN-TENGs具有巨大潜力作为可植入电源驱动可降解的医疗电子器件，在完成其既定任务后，可被生物体自行降解吸收，避免二次手术。 组织工程中的电刺激为细胞调节和组织修复提供了一种有希望的途径。以前的研究结果证实了它在临床和研究环境中的可行性和有效性。本文中，BN-TENG的电输出具有较高的电压和较低的电流，有利于其在生物医学领域中电??刺激的应用。为了证明可以用BN-TENG来调节心肌细胞簇的跳动，我们将BN-TENG和叉指电极整合到一个自供电刺激系统中。如图6a所示，整个刺激系统是由BN-TENG、整流器和叉指式电极所组成。叉指电极采用50μm厚的聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜封装，以避免电极与培养基之间的电化学反应（图6c）。由BN-TENG产生的18V整流输出电压连接到叉指电极上以形成直流电场（图6a，b）。考虑到PDMS封装层的厚度，心肌细胞和器件之间的界面处的实际电场强度约为8 V cm-1。 实验结果表明，在电刺激后所选取的四个心肌细胞簇的跳动速率明显加快，以C1区域为例，相邻两次跳动的时间间隔由刺激之前的1.382 s变为之后的0.606 s，且每次跳动所需时间也由之前的0.320 s减小到0.240 s。此外，根据表征电刺激前后肌细胞簇分散情况的统计结果，刺激前离散系数为0.81，约为刺激后的2.6倍。这意味着在电刺激后，四种心肌细胞群的搏动率变化显着降低。每个心肌细胞簇之间的搏动频率趋于一致，并在刺激后保持一致。其原因可能是电刺激增强了细胞间通讯，重建了功能失常的心肌细胞簇的收缩功能，这在以前的文献中得到了证明。这种BN-TENG整合的自供电刺激系统可以直接用于协调和修复异常心肌细胞。它可能为治疗一些心脏病如心动过缓和心律失常提供了新的有效解决方案。它也可用于体内心肌组织的重建过程。 总结与展望 研究人员使用五种天然材料（包括甲壳素，纤维素，SF，RP和EW）开发出生物全可吸收的BN-TENG。这些该工作按照材料得失电子能力的不同，首次对物种天然材料的“摩电序”进行了排列，即EW> SF>甲壳素>纤维素> RP。通过采用不同材料（U-SF和M-SF）作为封装层，BN-TENG在体内和体外的工作时间可调控，从数天到数周不等。此外，通过采用不同的摩擦材料组合，BN-TENG在体外的输出电压和电流的范围分别可以达8-55 V和 0.08-0.6 μA，该电学输出性能可满足不同电子器件的用电需求。将BN-TENG作为心肌细胞跳动速率调节的刺激电压源，心肌细胞簇的跳动速率被成功增强，细胞收缩一致性得到进一步改善，该工作为心动过缓和心律失常等心脏疾病的治疗提供了新的治疗途径。BN-TENG在完成其功能后，可被SD大鼠完全降解吸收。综上所述，该工作开发的基于天然材料的生物全可降解摩擦纳米发电机（BN-TENG）具有巨大潜力作为电源驱动可植入医疗电子器件，在完成其既定任务后，可被生物体自行降解吸收，避免二次手术。 基金支持 这项工作得到了科技部国家重点研发计划（2016YFA0202702, 2016YFA0202703），国家自然科学基金（31571006, 81601629, 61501039），北京市拔尖人才（2015000021223ZK21），北京市自然科学基金（2182091和2162017）以及 中组部“顶尖千人”及其创新团队的经费支持。
    337浏览量
    原文链接