摩擦纳米发电机作为一种新时代的能量收集技术，其摩擦电荷密度的提升对于提高摩擦纳米发电机的性能、并使其可以广泛应用于物联网和人工智能领域非常重要。近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、王杰研究员团队和中山大学戴叶婧副教授团队通过合理设计直流摩擦纳米发电机的电极微观结构，制备了具有高有效电荷密度的直流摩擦纳米发电机器件，成功的将摩擦纳米发电机的有效电荷密度提高到一个新里程碑。
接触起电作为一种普遍的现象已经被人们认识了很长一段时间。基于接触起电的基本物理机制，王中林院士团队首次发明了摩擦纳米发电机，为分布式机械能收集提供了一种方案。但是作为一种能量收集器件，如何进一步提升摩擦纳米发电机的输出性能，是实现其广泛商业应用的重要前提。传统的交流摩擦纳米发电机的有效表面电荷密度主要受限于摩擦起电、空气击穿和介质击穿三种限制。然而利用静电击穿机制，王杰研究员和王中林院士团队最近发明的直流摩擦纳米发电机则避免了介质击穿的限制（Science Advances, 2019, 5, eaav6437）。
本文研究人员通过对直流摩擦纳米发电机原理的深刻认识，结合滑动摩擦的高接触起电有效性，通过合理图案化设计的直流摩擦纳米发电机的电极微结构，使摩擦纳米发电机的电荷密度达到新的里程碑。并且指出直流摩擦纳米发电机的性能优化的新道路，即在之前优化器件的摩擦起电和静电击穿的基础上，引入了与电极结构有关的结构因子k，通过调节电极结构、尺寸，进而调节k值，可以使电荷密度进一步提升。该微结构直流摩擦纳米发电机同时实现了小型化的器件尺寸和高的输出性能。同时，随着器件尺寸的增进，它的有效电荷密度可以进一步提升。该工作不仅为摩擦纳米发电机用于物联网和人工智能作为能量源以及自驱动传感提供了一种小型化的策略，而且为摩擦纳米发电机用于大尺度能量收集提供了新的范例。
Fig. 1. Structural design and working mechanism of MDC-TENG. (a, b) Structural schematic and (c) SEM image of MDC-TENG (scale bar: 500 μm). (d) Schematic diagram of DC-TENG working mechanism. The schematic diagram of electrons transition process (e) without and (f) with microstructure optimization. (g) Comparison of the charge density of MDC-TENG with different type TENGs.
这一成果近期发表在Nature Communications 上，文章的第一作者是赵志浩博士（中国科学院北京纳米能源与系统研究所访问学者，中山大学博士后）、中山大学戴叶婧副教授和中国科学院北京纳米能源与系统研究所的博士生刘迪。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Rationally patterned electrode of direct-current triboelectric nanogenerators for ultrahigh effective surface charge density
Zhihao Zhao, Yejing Dai, Di Liu, Linglin Zhou, Shaoxin Li, Zhong Lin Wang, Jie Wang
Nat. Commun., 2020, 11, 6186, DOI: 10.1038/s41467-020-20045-y
导师介绍
王中林
https://www.x-mol.com/university/faculty/48479
王杰
https://www.x-mol.com/university/faculty/148356
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