近日，西安電子科技大學先進材料與奈米科技學院奈米材料系師生
在提升摩擦奈米發電機的環境適應性方面取得了重要進展
。在國際TOP期刊《Nano Energy》上發表題為“Performance Enhanced Triboelectric Nanogeneratorby Taking Advantage of Water in Humid Environments”的研究論文。先進材料與奈米科技學院碩士研究生劉棟和青年教師劉金妹為論文的第一和共同第一作者，學院青年教師顧隴、北京奈米能源所王龍飛研究員和蘭州大學秦勇教授為論文的共同通訊作者，西安電子科技大學先進材料與奈米科技學院為論文第一單位。
論文連結：
https：//www。sciencedirect。com/science/article/pii/S2211285521005589
隨著傳統化石能源的逐漸枯竭以及能源消費引起的環境問題日益惡化，世界範圍內對清潔能源的開發和利用日益重視。摩擦奈米發電機（TENG）作為一種高效的能量收集轉化技術，可以將環境中綠色、可再生卻常被浪費的機械能轉換為電能，在物聯網、智慧感測，可植入醫療器件等領域展現出巨大的應用潛力。然而，隨著其應用場景的日益多樣化和複雜化，TENG面臨著嚴峻的環境適應性問題，例如在高溼度環境中效能衰減等。潮溼環境中大量的水汽會吸附於TENG的摩擦層表面形成一層導電水膜，加速摩擦電荷的耗散過程使得TENG的輸出效能嚴重下降。為了解決這一問題，研究者們利用封裝技術、超疏水錶面處理技術等策略來不斷提升TENG在高溼度環境中的輸出電荷密度，但是其提高程度有限且需要複雜的工藝和昂貴的裝置作為基礎。因此，開發出一種簡單、易行和低成本的新策略進一步大幅提升TENG在高溼度環境中的輸出電荷密度對其發展和應用具有重大的意義。
近年來，顧隴、崔暖洋和劉金妹等青年教師基於摩擦奈米發電機收集轉化清潔能源技術開展了深入研究，針對TENG耐溼效能差這一關鍵問題創新性地提出了化學-物理吸附水耦合提升TENG抗溼效能的策略。其中，特殊設計的聚乙烯醇/氯化鋰（PVA/LiCl）複合摩擦層為該策略的核心：PVA分子鏈中豐富的羥基能夠透過氫鍵作用束縛空氣中的水分子形成新的含氧官能團，水分子以化學改性的方式大幅增強了PVA/LiCl摩擦層在潮溼環境中的正摩擦電極性，並遠超傳統正摩擦層材料尼龍；LiCl的強吸水性可以有效調控PVA/LiCl複合薄膜的吸水能力形成大量物理吸附水，該吸附水透過區域性溶脹作用一方面在其表面引入大量褶皺狀微結構，另一方面同步降低了薄膜的模量實現更充分的接觸摩擦過程。在上述因素的綜合作用下，基於PVA/LiCl摩擦層的新型抗溼度TENG在高溼度環境中展現出優異的輸出效能，其輸出電荷密度在寬溼度範圍內（RH 60%-99%）均高於115 μC/m2，尤其是在RH 90%條件下達到最大值244 μC/m2，遠大於已報道抗溼度TENGs中的最高值110 μC/m2（RH >50%範圍內）。該抗溼新策略的提出對TENG在藍色能源、溼度感測和可植入奈米器件等方面的應用具有非常重要的意義。
圖1
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， PVA/LiCl複合摩擦層吸水後透過氫鍵作用形成鍵合水增強自身正摩擦電極性，以及透過區域性溶脹作用引入的大量褶皺狀微結構示意圖。
b
，PVA和PVA/LiCl（質量比分別為30：1、24：1、18：1和12：1）複合摩擦層在不同溼度條件下的輸出電荷密度。
圖2基於PVA/LiCl複合摩擦層的新型抗溼度TENG在高溼度條件下的輸出效能，以及其作為電源在高溼度環境中驅動商用LED和溼度計。
顧隴，博士，西安電子科技大學先進材料與奈米科技學院講師、碩士生導師，目前主要從事能源器件導向的新材料設計與合成、柔性電子器件的開發和自供能系統的構建等方面的研究。
2016年獲蘭州大學微電子學與固體電子學專業博士學位，導師秦勇教授、劉肅教授；2017年入職西安電子科技大學任教；2020年至2021年在美國威斯康星大學麥迪遜分校交流學習，導師王旭東教授。目前已在Nature Communications， Science Advances， Advanced Materials， Nano Letters， ACS Nano， Nano Energy， Energy & Environmental Science， ACS Applied Materials & Interfaces， Research等期刊上發表論文28篇。榮獲甘肅省2020年度自然科學一等獎1項（5/5），中國儀表功能材料學會電子元器件關鍵材料與技術專業委員會2020年度“國瓷新材料獎”優秀論文獎1項。
近年來在微納能源器件與應用領域的部分研究成果：
Long Gu， Jinmei Liu， Nuanyang Cui， Qi Xu， Tao Du， Lu Zhang， Zheng Wang， Changbai Long， Yong Qin*， Enhancing the Current Density of a Piezoelectric Nanogenerator Usinga Three-dimensional Intercalation Electrode， Nature Communications， 2020， 11， 1030。
Dong Liu， Jinmei Liu， Maosen Yang， Nuanyang Cui， Haoyu Wang， Long Gu*， Longfei Wang*， Yong Qin*， Performance Enhanced Triboelectric Nanogenerator by Taking Advantageof Water in Humid Environments， Nano Energy， 2021， 88， 106303。
Long Gu， Lazarus German， Tong Li， Jun Li， Yan Shao， Yin Long， Jingyu Wang， Xudong Wang*， Energy Harvesting Floor from Commercial Cellulosic Materials for a Self-Powered Wireless Transmission Sensor System， ACS Applied Materials & Interfaces， 2021，13（4）， 5133-5141。
Maosen Yang， Jinmei Liu， Dong Liu， Jingyi Jiao， Nuanyang Cui， Shuhai Liu， Qi Xu， Long Gu*， Yong Qin*， A Fully Self-Healing Piezoelectric Nanogenerator for Self-Powered Pressure Sensing Electronic Skin， Research， 2021， 2021，9793458。
Jinmei Liu， Nuanyang Cui， Tao Du， Gaoda Li， Shuhai Liu， Qi Xu， Zheng Wang， Long Gu*， Yong Qin*， Coaxial double helix structured fiber-based triboelectric nanogenerator for effectively harvesting mechanical energy， Nanoscale Advances， 2020，2（10）， 4482-4490。
Nuanyang Cui， Cuihua Dai， Jinmei Liu， Long Gu， Rui Ge， Tao Du， Zheng Wang， Yong Qin*， Increasing the output charge quantity of triboelectric nanogenerators via frequency multiplication with a multigap-structured friction layer， Energy & Environmental Science， 2020， 13（7）， 2069-2076。
*感謝論文作者團隊對本文的大力支援。
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