王中林&陳翔宇Adv. Funct. Mater.綜述:通過摩擦納米發電機的高壓直接驅動的電響應材料和器件


成果簡介

近日,中國科學院大學王中林院士陳翔宇研究員(共同通訊作者)等人,著眼于可以被摩擦納米發電機Triboelectric Nanogenerator, TENG的高輸出電壓直接驅動的材料和器件,概述了已報導的各種可以與TENG成功結合的應用方向,包括介電彈性體、壓電材料、鐵電材料等功能材料,靜電驅動器、靜電空氣凈化器、以及場發射和質譜儀等智能器件;總結了在選擇材料和器件與TENG結合方面的關鍵因素;總結了在該領域TENG作為直接電源所面臨的挑戰和對于未來研究的展望。對比其他自驅動電壓電源,TENG具有成本低廉、制造工藝簡單、設計結構靈活和選材廣泛等優點,收集低頻機械能可以廣泛的應用在智能力學、人機交互系統、智能存儲系統、自供電微流控芯片、便攜式質譜儀等領域。相關成果以“Electrically Responsive Materials and Devices Directly Driven by the High Voltage of Triboelectric Nanogenerators”為題發表在Advanced Functional Materials上。

1、前言

自2012年發明摩擦納米發電機(TENG)以來,其迅速發展為一種能量收集和自供電系統的主流技術。TENG的工作原理是基于摩擦起電和靜電感應效應,幾乎可以將所有類型的機械能(例如:振動、水波、風、雨滴和人體運動)轉換為電能。與其他能量收集技術相比,TENG具有制造技術簡單、可靠、成本低廉和低頻資源的廣泛適用性等優點。TENG具有四種可提供持續電力的操作模式,包括垂直接觸分離模式、水平滑動模式、單電極模式和獨立層模式。同時,可以通過優化材料和器件的接口器件來提高TENG的輸出性能。優化條件后,TENG的各項參數可以達到最佳效果。面積功率密度高達500 W m-2以上,體積功率密度約為15 MW m-3,瞬時轉換效率大于70%,總效率高達85 %。TENG可以與不同的電響應特性的智能材料和靜電器件結合,組成具有實用功能的復合系統,從而實現簡單有效的自供電智能系統。本文重點關注基于這種組合的自供電系統的最新發展;分析能夠與TENG成功結合的材料和器件。圖1是本文的主題和典型TENG的例子。第一部分深入介紹了結合高壓TENG的方法。之后詳細介紹了可以驅動TENG的電響應材料和器件,包括介電彈性體、壓電材料、鐵電材料、靜電操縱器、靜電空氣凈化器、場發射和質譜儀。最后,分析和討論了TENG未來的發展和面臨的挑戰。

圖 1 TENG和用于功能自供電系統的電響應材料/器件的組合圖。

2、TENG材料及其制備方法

2.1 材料的選擇

幾乎所有材料都具有摩擦起電效應,包括金屬、聚合物、木材等。所以,可以應用的TENG材料數量巨大,種類繁多。目前,不同材料的接觸電化效應和詳細物理機制仍在研究中。一般而言,摩擦電荷密度依賴于兩種接觸材料之間的電子親和力差異。因此,選擇具有較大差異的電子親和力的兩種材料,來制備TENG可以增加摩擦電荷。研究發現,具有良好拉伸性和耐久性的硅橡膠可用于制造柔軟且可穿戴的能量收集器;具有光滑表面和耐磨性的Teflon或Kapton膠帶可被用于滑動TENG耐磨的摩擦材料。同時,具有良好透明度的聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)或氟化乙烯丙烯(FEP)薄膜可應用于基于TENG的智能器件。因此,材料選擇是TENG成功的第一步。電子親和力表可以幫助確定TENG材料。

2.2 材料的表面修飾

通過表面改性來提高摩擦電荷密度是提高TENG的輸出電壓的有效方法。在摩擦時,通過改變摩擦材料表面的物理結構來增加摩擦面積,可以有效增加電荷量。圖2a是三種不同表面類型的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像:線、立方體和金字塔。圖2b比較了典型接觸分離TENG的輸出電壓與四種不同的表面類型:平面(非結構化)、線、立方體和金字塔。四種不同特征類型的TENG的測量的VOC明顯遵循平面<線<立方體<金字塔的順序。此外,金字塔特征裝置的VOC幾乎是平面裝置的四倍。微納結構Al作為納米壓印模板,可以提高聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面的粗糙度。在摩擦表面上,引入微粗糙度的納米結構,可以提高TENG的性能。選擇性干法蝕刻和電感耦合等離子體(ICP)蝕刻,在聚合物表面上制備納米線陣列,可以提高TENG的輸出電壓。利用選擇性干蝕刻,在Kapton薄膜上創建納米線陣列。納米線的長度,影響TENG的輸出性能。對于數百納米的納米線,其彈性在多次接觸之后沒有改變的取向和形態,如圖2c所示。然而,對于過長的納米線(蝕刻20分鐘),當材料接觸時,納米線根部產生的應變超過聚合物材料的彈性極限,導致永久變形。蝕刻聚合物納米線對VOC和ISC的時間的影響如圖2d所示,這表明電輸出信號隨著蝕刻時間從0-5分鐘有顯著上升,隨著蝕刻時間變長,電輸出急劇下降。另一方面,在表面上結合一些適當的官能團進行化學改性,也可以有效地改善TENG的輸出性能。當一些容易獲得電子的官能團(例如-CF3)在摩擦材料的表面上用來改性時,摩擦表面將對負電荷具有更強的親和力。相反,一些易于失去電子的官能團(如-NH2)可以對正電荷產生更強的親和力。圖2e中制備四種不同的TENG(i)PET:PET,ii)PET:P-PET,iii)PET:F-PET,和iv)P-PET:F-PET)以驗證輸出電壓是否由表面上的不同化學鍵引起的。為了比較四種類型的TENG的輸出電壓,在相同條件下測試它們的VOC。圖2f顯示了與i)PET:PET對的電壓相比,具有最大輸出電壓(iv)P-PET:F-PET對的四個TENG的VOC高出80倍以上。使用順序滲透合成技術將AlOx分子滲透到聚合物薄膜中用以改善TENG的電性能。AlOx分子具有強烈的電子排斥傾向,因此與其原始狀態相比,具有強電子親和力的AlOx摻雜聚合物后電子獲取能力顯著降低,但相應的輸出電壓增加了十倍。所以,物理和化學改性的結合最終可以優化TENG的電氣性能。

圖 2 摩擦材料的表面改性。a,b)模板法制備的微米圖案的SEM圖像、TENG與四種不同表面類型的輸出電壓的比較圖;c,d)選擇性干法蝕刻制備的納米線陣列的SEM圖像、蝕刻聚合物納米線的時間對TENG輸出性能的影響圖;e,f)TENG與不同表面官能團的輸出電壓的比較圖。

2.3、電荷注入法提高TENG的電壓性能

電荷注入方法可以將表面電荷密度增加到飽和狀態。電荷注入后摩擦膜的表面電荷密度是普通膜的幾倍。目前有效的電荷注入方法有高壓電暈放電法和電離空氣注入法。圖3是電暈放電操作單元的示意圖。研究發現,通過使用電暈放電方法,VOC比初始值提高至少55倍。峰值電壓與介電層的厚度有關,TENG的電壓也表現出高的循環穩定性,在20000次循環后,保留率接近92.6%。采用正負電暈放電方法對聚丙烯薄膜進行充電,發現負電暈的表面電位下降得更慢。利用空氣電離槍將負離子(CO3-,NO3-和O3-)帶到FEP表面,如圖3b所示。這種引入表面電荷的方法不依賴于表面的化學性質。通過多次離子注入工藝,提高負表面電荷含量,增加TENG的VOC。

圖 3 電荷注入方法和高壓維護方法。a)TENG高壓輸出的高壓電暈放電示意圖;b)電離空氣注入,獲得高性能的TENG;c)不同電荷密度的分離距離和TENG的理論擊穿電壓;d)在大氣中的Voc以及高真空的TENG;e)電荷泵原理示意圖;f)不同方法和材料實現的高電荷密度的比較圖。

2.4 真空保護防止充電泄漏和補充電荷泵

隨著表面電荷密度增加,TENG的輸出受到空氣擊穿的限制就會增加。圖3c是不同空氣壓力和不同電荷密度TENG的空氣擊穿電壓。1889年的帕邢定律指出,TENG的間隙/輸出電壓必須小于空氣擊穿電壓。當真空度為10-6Torr時,TENG在操作中可以避免空氣的破壞,顯示VOC增加了5倍(圖3d)。圖3e是一種實施外部電荷補償的簡便通用方法,TENG用浮動層來存儲和結合靜電感應電荷,而另一個TENG作為電荷泵可以將電荷泵入浮動層。圖3f是典型材料和方法的高電荷密度的總結值。液體Ga和FEP之間的摩擦,實現了約0.22 mC m-2的電荷密度。硅橡膠與碳(SR-C)混合作為摩擦層,電荷密度為0.25 mC m-2。高壓電暈放電后,Al/Parylene C的電荷密度值達到0.28 mC m-2。在高真空環境下,Cu/聚四氟乙烯(PTFE)的電荷密度可以達到0.66 mC m-2,而額外的鐵電層可以達到1.003 mC m-2。通過用電荷泵改變TENG的結構,實現1.02 mC m-2的值。

3、介電彈性體和TENG的組合

介電彈性體是一種電活性驅動材料,在電場的刺激下,具有優異的變形能力。目前,介電彈性體驅動器(DEA)已經應用于軟機器人和電子器件、微型泵等。在厚度方向上,電荷引起麥克斯韋應力,導致彈性體變形。DEA具有彈性剛度低,應變能力大的特點,這會導致DEA的誘導變形變大,進而獲得各種功能性機械驅動器。然而,DEA的驅動電壓通常為幾千伏,這意味著DEA的應用需要高壓源。TENG具有高輸出電壓和小分離運動的特性,利用TENG的高輸出電壓和DEA的大應變能力,可以建立TENG-DEA系統,在人工肌肉和軟驅動器中的應用。與TENG的能量收集功能結合,驅動系統可以實現人與系統之間的瞬時交互,用作微機電系統(MEMS)和人機交互中的自供電驅動組件。本節介紹了TENG-DEA系統的幾個應用,包括人工肌肉、智能開關、可調諧智能光學調制器和可調光學光柵等。圖4a是單電極TENG和圓形DEA的TENG-DEA系統的示意圖。碳脂的兩個圓形電極施加到彈性體膜的上側和下側,一個電極連接到TENG而另一個電極接地。用ICP處理覆蓋Kapton薄膜的納米線陣列,來提高表面積,增強表面電荷密度。在ICP處理之后,Kapton薄膜和Al箔的接觸分離運動產生高電壓。圖4a顯示了集成系統的工作原理。Kapton薄膜和Al箔之間接觸,會在接觸界面產生正負電荷。分離會導致介電彈性體上的高靜電激活DEA變形。當該Kapton薄膜和Al箔返回到原始位置時,正電荷和負電荷被中和,然后DEA的變形消失。丙烯酸彈性體的優異絕緣性能和柔軟質地,使該材料可用作軟電子產品的包裝材料。圖4b是TENG-DEA系統的智能開關演示圖。兩根導線彼此接觸,夾在兩個彈性體薄片之間,通過TENG控制導線的連接和斷開。以這種方式,通過在彈性體膜的表面上印刷復雜的電路,實現更多的功能性能。通過使用銀納米線作為電極材料,制備智能光學調制器(SOM)。超長銀納米線的電極,可以在不犧牲透明度的情況下,保持良好的柔韌性,應用于可調諧光學器件。圖5a顯示SOM設備的操作機制,其類似于上面提到的普通DEA。在激活之前,SOM是透明且穩定的。當對彈性體的電位存在潛在的下降時,頂部和底部納米線電極之間的庫侖吸引力導致局部微觀變形。這些微觀的不規則變形,導致光的不規則折射從而透明度降低。圖5b是由SOM裝置調制的光學圖像,其透明薄膜變成由TENG驅動的無光澤薄膜。圖5c是另一種類似TENG-DEA系統的可調諧光柵(TOG)應用。當來自TENG的驅動,導致DEA元件膨脹時,可以改變光柵周期(圖5c和d)。這些自供電SOM和TOG系統的設計和概念,可以促進TENG在光通信,光捕獲和其他光學應用中的應用。在宏觀透明度觀察中,由SOM裝置調制的光學圖像如圖5b所示,其中透明薄膜變成由TENG驅動的無光澤薄膜。圖5c展示了另一種基于類似TENG-DEA系統的可調諧光柵(TOG)應用。當來自TENG驅動的DEA元件膨脹時,可以改變光柵周期(圖5c)。類似的效果也可以應用于2D光柵和點陣光柵中,其中衍射激光矩陣都可以由TENG控制。這些自供電SOM和TOG系統的設計和概念可以促進TENG在光通信,光捕獲和其他光學應用中的應用。圖6a提出了一種特殊的操作方法,通過串聯連接兩個DEA單元,在整個系統中施加偏壓。在兩個DEA單元中,一個是目標設備,另一個是輔助設備。TENG的輸出電壓可以調節兩個DEA單元的潛在下降分布。圖6a,b是TENG的接觸減小V1并增加V2,TENG的分離可以增加V1并減小V2。施加的電壓偏置,可以幫助克服DEA的閾值電壓值,在該偏置值處施加的電壓,為目標DEA產生顯著的變形。從圖6b中可以看出,SOM是目標器件,TENG可以很好的控制該SOM的變形。增加外部電壓偏置的方法適用于所有與DEA相關的器件?;谠擈寗硬呗?,制備彈性體電致發光器件(圖6c)。與單獨的TENG相比,這種驅動策略顯著增強了發光。圖6d是該裝置的照片和通過該策略驅動的發光。這兩個集成設備證明了該策略對DEA相關設備具有普遍適用性。此外,為了更好地理解TENG-DEA系統的工作機理,建立了物理模型來模擬粘彈性和電流泄漏對TENG輸出性能的影響。圖6e,f顯示了集成系統的理論模型和彈性體的粘彈性模型。實際測量與模擬結果之間的比較如圖6g所示,這與該模型能夠預測由TENG驅動的DEA響應相矛盾。這個物理模型可以幫助探索TENG-DEA系統的各種應用。

圖 4 TENG-DEA系統的自供電人工肌肉和智能開關:a)應變性能的TENG-DEA系統的示意圖;b)TENG-DEA系統的智能開關的工作原理示意圖。

圖 5 耦合TENG和介電彈性體的智能光學調制器:a,b由TENG驅動的SOM的工作示意圖及其光學圖像;c,d)TENG驅動的光柵陣列的TOG的示意圖和光學圖像。

圖 6 TENG-DEA系統和集成系統的理論分析:a)新方法驅動的SOM和DEA;b)SOM透明度的變化和普通DEA樣品的收縮;c)TENG-DEA系統的示意圖;d)樣品的光學圖像和產生的發光行為;e)TENG-DEA系統的理論模型;f)彈性體的粘彈性的理論模型;g)致動應變的松弛過程。

4、壓電陶瓷和TENG的微驅動器

壓電材料可以在電磁場中變形。由于壓電材料的變形非常小,精度高,可用于微系統的精確操作。目前壓電陶瓷已被廣泛應用于各種機電裝置,如超聲波電動機、陶瓷揚聲器和壓電探針等。壓電陶瓷的驅動電壓約為幾十伏。壓電陶瓷與TENG結合作為可以實現各種自供電機電系統的材料。TENG和壓電陶瓷可用于控制激光束發射角的壓電微驅動器。圖7a是三層滑動TENG的示意圖,其含有獨立摩擦電層的PTFE薄膜和四個Al箔組成兩對正交電極。為了提高TENG的輸出電壓,可以將PTFE膜的兩個表面經ICP處理,產生了納米結構形態(圖7b)。這種三層滑動TENG和壓電雙晶片,可以通過有源壓電微驅動器實現(圖7c)。壓電微驅動器具有電場精確變形的特點,可以精確控制激光的方向。圖7d是靜電微驅動器的工作原理,通過TENG調節兩個紅外衰減器實現雙通道光調制。這些基于TENG的微驅動器可用于光學調制,說明壓電材料在自供電系統中具有很高的應用價值。與介電彈性體相比,壓電陶瓷的誘導變形要小得多。介電彈性體的變形精度受其粘彈性的影響,壓電陶瓷在較低的驅動電壓下,具有更高的精度。柔軟、透明的介電彈性體可以應用于人工肌肉或仿生裝置,而壓電材料更適合于機電系統或超聲波裝置。TENG和壓電材料的結合,適用于TENG驅動一系列微機械。憑借可持續自供電能力的優勢,TENG的微型驅動器,在MEMS/NEMS中具有廣闊的應用前景。

圖 7 平面滑動TENG的光學調制的源微致動器:a)三層滑動TENG的示意圖;b)PTFE膜的納米結構的SEM圖像;c)三層滑動TENG驅動的2D調制器的結構示意圖;d)兩個通道的有源光衰減器的示意圖。

5、TENG極化的鐵電材料用于記憶裝置

鐵電材料和TENG的集成是自供電信息存儲系統的新應用。鐵電材料的自發極化對強加的電磁場響應良好,對電流不敏感。這使得鐵電材料作為TENG輸出性能的理想選擇。另外,鐵電材料中偶極子的切換時間,遠小于TENG的輸出周期。這些因素導致鐵電材料與TENG結合后,可以應用在自供電記憶裝置和存儲設備中。聚(偏二氟乙烯-三氟乙烯)(P(VDF-TrFE))已在許多裝置中得到廣泛研究。通過TENG和P(VDF-TrFE)膜結合,形成獨特的自供電記憶裝置,記憶一維和二維運動。圖8a是滑動TENG的自供電存儲器系統和工作原理。TENG運動產生的電場施加在P(VDF-TrFE)膜上,膜中的偶極矩將會被極化。電場強度決定了極化的大小,所以記憶裝置可以記錄TENG的位移距離。然后,通過觀察位移電流得知存儲的偏振信息,如圖8b所示。極化鐵電材料可用于增強TENG的輸出。P(VDT-TrFE)和皮膚作為單電極TENG中的接觸材料,如圖8f所示。在不同的電場進行極化后,輸出電壓會顯著變化,通過控制施加在P(VDTTrFE)聚合物上的極化電極來控制皮膚電位。在TENG驅動下的鐵電層,也可用于電子設備中記錄邏輯信號。通過連接高開路電壓的TENG和場效應晶體管(FET),可設計出由鐵電晶體管組裝的記憶存儲器的自供電系統,如圖9a所示。TENG的整流輸出電壓脈沖作為柵極電壓施加到鐵電晶體管以控制溝道。FET的二進制狀態可以作為非易失性存儲器讀取,而不交替反轉鐵電極化。圖9b是0.65Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.35PbTiO3(PMN-PT)的鐵電性質,當掃描柵極電壓為-60至40 V時,該切片具有p型特性。不同柵極電壓下的并五苯鐵電晶體管的Ids-Vds如圖9c所示,在低壓區中Ids與 Vds呈線性變化。為了研究這種自供電系統的內存保留情況,將TENG產生的寫入脈沖施加到FET上。通過觀察自供電系統的可開啟、關閉電流狀態,表現了出色的記憶操作。由于這些記憶裝置的工作機制,可以利用其他任何TENG。所以鐵電材料確保了這種儲存技術的應用前景。因此,這些系統可以用作智能存儲或智能電子器件的自供電存儲盤或晶體管。

圖 8 摩擦電和鐵電的自供電跟蹤記憶存儲:a)TENG和P(VDF-TrFE)薄膜的信息存儲裝置和工作原理示意圖;b)雙循環電壓(-25至25 V)的裝置的位移電流測量圖;c)單電極TENG和P(VDF-TrFE)的存儲存儲系統的工作原理的示意圖;d)檢測和記錄2D運動軌跡的TENG矩陣的示意圖;e)TENG矩陣的照片;f)極化P(VDF-TrFE)聚合物摩擦電化控制皮膚電位圖。

圖 9 TENG和鐵電FET集成的自供電非易失性鐵電晶體管存儲器件:a)自供電晶體管存儲器系統的示意圖:b)晶體管的透射曲線圖;c)并五苯鐵電晶體管的典型Ids-Vds特性圖;d)TENG的不同Vds的Ids圖。

6、TENG驅動的靜電操縱器

靜電場引起的庫侖力是最直接的電響應效應,庫侖力是宏觀/微觀物體的理想驅動力。這已經在智能手機、可穿戴產品、微型泵和微流體裝置中得到了應用。TENG可以產生強電場,靜電驅動裝置的漏電流非常小,有利于維持摩擦充電。此外,TENG可以在循環中產生的有限的電荷量,這可以降低電擊穿的風險。因此,TENG和靜電操縱系統的組合,可以實現具有自供電能力的可調諧靜電操縱器。TENG的操縱器具有響應速度快,效率高,安全可靠的特點,其性能可與商用高壓電源相媲美。它可以作為一種技術在精確操縱MEMS中的微小固體或液體物體的系統,微流體通道和許多其他應用。圖10a是納米線陣列的薄膜,可用作電觸層的器件圖。通過改變器件結構中柵極的形狀,獲得所需的自組裝圖案。圖10c是組裝陣列的樣品的照片,其中尼龍珠的直徑為1.58 mm。經TENG充電處理之后,尼龍珠和電氣化層的表面分別帶正電和負電。電氣層引起的正電荷從地面流向柵極,如圖10d所示。由于珠子和窗口位置之間的靜電吸引力(圖10e),珠子被吸引到窗口位置。從圖10f中可以看出,斷開的環形電極,在獨特的靜電驅動器中與TENG的分段環形Al箔連接。金屬顆粒用碳纖維接地后,可以在顆粒上誘導電荷。通過TENG的激發產生電極和顆粒之間的靜電吸引力。因此,Kapton在環形鋁箔上的圓周運動,可以引起金屬球粒的旋轉運動。另一種具有擺式結構的靜電驅動器(圖10g),TENG中的Kapton薄膜的運動能夠調節顆粒的振蕩。TENG不僅可以操縱微小固體物體的運動,還可以控制微流體的運動。圖11a是自供電微流體操縱器的結構和操作過程。經過疏水表面處理的FEP薄膜,充當自供電系統中的介電層,水滴可以在FEP表面上平滑地滑動。將兩個液滴放置在連接TENG的兩個電極上,其中一個中間條帶電極接地。隨后,TENG產生的庫侖力,可以驅動兩個液滴朝向彼此移動。圖11b是將酚酞液滴和堿性液滴合并在一起,變成了紅色。進一步修改了TENG的操作,以精確操控微流體。將光柵電極與獨立的TENG耦合,實現對液滴位置的精確控制。該系統具有優越的運行可靠性,用TENG控制迷你車運動(圖11c)。四個微滴作為迷你車的車輪,TENG產生的靜電力驅動為四輪驅動。此外,由TENG驅動的微滴可以在傾斜或垂直平面上運動,甚至可以跳過一步,如圖11d所示。將有限元計算和插值方法的結合,精確模擬了TENG驅動的微滴的運動行為,并計算了微滴的速度。圖11e是一種基于TENG的液滴驅動系統,該系統利用了水滴和液滴上的摩擦電流之間的摩擦電能。圖11e是該自供電系統的設計結構和工作原理,該系統由兩個芯片組成:一個作為滑動芯片固定在傾斜框架上,另一個作為驅動芯片固定在水平平面上。當液滴沿著滑動芯片滑動時,滑動芯片上的兩個電極將通過觸電產生不同的電荷,這可以在驅動芯片中產生電壓信號。因此,驅動芯片上的液滴的接觸角改變會產生移動液滴的驅動力。從圖11e中可以看出,在驅動系統中集成四個TENG,實現了液滴的連續運動。圖11e中的插圖是水滴被驅動到不同位置的照片。通過改變液滴的起始位置,這種致動系統也可以實現兩個液滴的融合,如圖11f所示。這些基于TENG的靜電操縱器可以實現對宏觀/微觀物體的精確和有效的操縱?;谶@些集成系統,可以開發各種可能的應用,包括顯微操縱器,微機器人和目標傳輸。

圖 10 TENG作為靜電驅動力操縱微小物體:a)靜電自組裝裝置的結構圖;b)等離子體干蝕刻處理后的SEM圖像;c)尼龍球的裝置的照片;d)在一個窗口中,充電分配一個尼龍球;e)球在不同位置的靜電力;f)自動靜電驅動系統的結構設計,引導顆粒的旋轉運動;g)擺動微小物體的靜電驅動系統。

圖 11在微流體系統中,TENG對微流體的操作:a)TENG合并兩個液滴的靜電致動系統的設計圖;b)驅動前后的苯海拉明液滴和堿性液滴的照片;c)TENG驅動的微型汽車的自供電運輸系統的照片;d)靜電致動系統爬上臺階的液滴的照片;e)連接多個TENG的芯片上的連續液滴驅動;f)大液滴滑動合并的兩個液滴圖。

7、TENG的靜電吸附與空氣凈化

TENG產生的庫侖力,可用于精確驅動和操縱微小物體,也可用于去除露天的灰塵或污染物,實現自動靜電吸附。傳統的靜電吸附是一種有效的除塵技術,通常需要在絕緣子過濾器上施加高壓。TENG產生的高電壓和強電場可有效吸收微小顆粒。TENG轉換周圍的機械能來維持過濾器的高壓。TENG型空氣凈化裝置具有結構簡單,臭氧釋放量小,過濾效率高,成本低等優點,可去除汽車尾氣和室內空氣中的顆粒物。TENG的空氣凈化裝置在霧霾處理,空氣凈化,揮發性有機化合物(VOC)去除和用于人類健康的可穿戴裝置的領域具有巨大的商業潛力?!把h新鮮空氣凈化器”和“PaPa口罩”,已經被Nair TENG公司作為商業產品銷售。TENG驅動的自供電的過濾器,可以清除機動車排放的微粒物質(PMs)。圖12是TENG驅動兩個Al箔和聚合物粒料(V-TENG)振動,用以除去PM。圖12a是V-TENG的示意圖,粒料和Al箔之間的碰撞運動而產生高電壓,用于吸收PM。圖12b是V-TENG的照片。V-TENG的兩端都有出風口和出風口。當與顆?;旌系臍饬魍ㄟ^V-TENG時,空氣流可引起PTFE顆粒與Al箔之間的碰撞,摩擦起電,在PTFE顆粒上產生表面電荷,產生強靜電,吸收污染物顆粒。從圖12a中可以看出,氣流中的污染物顆粒被具有強靜電氈的顆粒吸附。從圖12c中可以看出,作為過濾器的V-TENG固定在汽車的尾管上,車輛排放通過長管直接進入TENG。TENG的高電壓不僅可以提高PM的吸附效率,還可以提高有害氣體的降解效率。圖13a是結合TENG和光催化材料去除顆粒和VOC的自供電過濾器。在該過濾器中,將光催化劑沉積在涂有聚合物的鋼網上。當TENG驅動時,由于摩擦效應,在垂直和水平線之間產生強電流,這可以提高顆粒的吸附率(圖13b)。另一方面,通過電場可以增強光催化劑中光生載流子的分離和遷移,從而提高TENG電催化劑的光催化效率。TENG增強光催化降解的工作原理如圖13c所示?;赥ENG的面罩的結構和該過濾的詳細工作機理的一種接觸分離TENG的自供電靜電吸附面罩。在這個面罩中,TENG充當呼吸閥以吸收空氣中的PM,TENG可以持續提供靜電荷以提高去除效率。連續吸收240分鐘后,聚偏二氟乙烯(PVDF)電紡納米纖維膜的SEM圖像,如圖13e所示。設計了一種基于由PTFE和尼龍織物制成的簡單TENG的可清洗面罩。此外,通過使用聚醚酰亞胺納米線(通過靜電紡絲法制造)制造具有兩種功能的面罩,其可同時去除微粒并監測人的呼吸速率。

圖 12 一種自供電空氣凈化器,TENG驅動去除汽車尾氣中的顆粒物質:a)TENG驅動去除振動中的顆粒物質的摩擦電效應的示意圖(V-TENG);b)V-TENG的照片;c)摩托車尾氣管上摩擦電動凈化器的照片。

圖 13 TENG的空氣過濾器去除有效的顆粒物質:a)靜電和光催化作用自發吸收的示意圖;b)單電極TENG增強靜電吸收的詳細示意圖;c)TENG增強光催化降解VOCs;d)由呼吸驅動的自供電靜電吸附罩的結構和工作機理;e)顆粒過濾后PVDF納米纖維膜的SEM圖像。

8、TENG驅動的電子激發,離子生成和微等離子體

基于高電場的靜電放電效應,已經開發了幾種離子或電子產生方法,以促進TENG在晶體發射和質譜分析中的應用。TENG的轉移電荷量,可以調控參數,進行精確控制。TENG通過改變滑動面積或間隔距離,產生不同含量的轉移電荷。TENG將機械運動轉換為高壓輸出。TENG產生的精確控制電子量,可應用于定量分析和痕量檢測。單電極TENG制備的自供電發射裝置(FED)的結構,如圖14a所示。該裝置由碳納米管陰極和磷/氧化銦錫(ITO)陽極組成。陰極和陽極由薄玻璃間隔物隔開。摩擦層的機械運動控制FED發射的電子量。圖14b是施加不同電壓的FED電流密度。圖14c是自供電放電發射裝置的理論模型。ZnO納米線陣列的兩個電極,建立了更復雜的發射系統示意圖。在TENG中僅Tefon 薄膜的一次滑動運動之后,在陰極射線管中啟動了feld發射(圖14f),并且照射持續超過100分鐘。 憑借改進的可控性,便攜性和穩定性,這種摩擦引發的電極發射器可以為傳統的發光器件帶來新的方法。通過調整TENG的結構參數,可以定量控制TENG的質譜儀中的總電離電荷。圖15a,b是TENG和納電噴霧電離發射器的耦合,接觸分離模式(圖15a)和獨立模式(圖15b)的TENG,可以產生單極性和交替極性電荷脈沖。TENG的有限電荷可以提高樣品利用率;TENG的高電壓,可以保證納電噴霧電離的高靈敏度。圖15c是TENG驅動的納電噴霧電離發射體的照片。TENG的質譜的等效電路,如圖15d所示。TENG的質譜分析真正的和偽造的抗瘧藥,如圖15e所示。一種滑動式獨立式TENG木尖結構用于這個測試。當TENG設備的頂部手動時從接地電極移向電極連接到牙簽上,產生正離子在牙簽和質譜儀入口之間,如圖所示圖15f。TENG動力牙簽電噴霧,通過質譜法區分真正的和偽造的抗瘧藥的提取物。TENG質譜法提供了一種簡單、安全、經濟的離子生成方法。等離子體作為第四種狀態,需要通過高溫或外部電源產生。等離子體的設備需要外部電源維持,阻礙了等離子體的使用。TENG具有高電壓的特性,可以產生足夠高的電荷,適合于等離子體產生的連續靜電放電。微等離子體是一種限制于有限空間范圍內的等離子體。由于放電尺寸減小到毫米級或甚至更低,微等離子體通常能夠在大氣條件下操作。圖16a由旋轉TENG直接驅動的大氣壓非平衡等離子體射流的總裝置的示意圖。在TENG的驅動下,電極上發生電弧放電和火焰放電。TENG產生的微等離子體,可以替代大多數應用領域中的傳統等離子體。等離子由旋轉TENG設計和供電。不同曝光時間的等離子體的照明照片,如圖16e所示。通過改變不同電極的材料、結構或規模,微等離子體引起的發光可應用于不同的領域。TENG帶來等離子體放電,可以產生紫外線發射。PTFE薄膜與石英玻璃管摩擦后,PTFE薄膜表面帶負電荷,石英腔表面帶正電荷。摩擦誘導電荷的高密度,導致強電荷在Ar-Hg低壓氣體中產生等離子體放電(圖16f)。PTFE薄膜在石英玻璃上滑動時,會產生紫外等離子體輻射(圖16g)。隨著PTFE膜的滑動速度增加,光強度隨之增加(圖16h)。通過摩擦電化激發的等離子體表明TENG可用于產生多種微等離子體。摩擦電等離子體為等離子體提供了新穎的補充、無需額外的電源。將來,摩擦電等離子技術可以與不同的學科相結合、產生各種等離子體源。

圖 14 TENG驅動的場發射:a)焊球發射裝置的示意圖;b)外部穩定電源的焊球發射裝置的J-V性能;c)集成自供電系統的理論模型;d)發射器、電源和測量電路的示意圖;e)電源陰極射線管的示意圖;f)TENG驅動形成的照片。

圖 15 TENG驅動的質譜分析:a)接觸分離和b)滑動獨立模式TENG;c)納米噴射發射器的暗場圖像;d)TENG的質譜系統的等效電子電路;e)抗瘧藥片質譜分析TENG裝置的示意圖;f)TENG驅動器件的示意圖。

圖 16 TENG摩擦電磁場誘導的等離子體放電:a)兩個串聯獨立式旋轉TENG驅動的非平衡等離子體射流的示意圖;b)圖案化電極介質阻擋放電等離子體源的示意圖;c)TENG驅動的圖案化電極的發光照片;d)獨立式旋轉TENG驅動的等離子盤;e)不同曝光時間的照片;f)TENG和等離子體放電效應的UV發光裝置的工作機理示意圖;g)PTFE和玻璃之間的摩擦引起的玻璃腔中的UV發射的照片;h)不同PTFE滑動速度的發光強度。

9、結論和展望

通過使用TENG的高壓直接驅動或控制一些電響應材料和器件,已經建立許多具有各種功能的自供電復合系統。本綜述基于電器件和TENG的組合,給出了幾個功能系統的最新進展。TENG是作為直接驅動,具有大內阻的設備和系統的理想電源,例如DEA、靜電操縱器、質譜儀和其他靜電設備。隔離距離僅為幾毫米,TENG的輸出電壓可達到幾千伏。此外,與其他高壓電源相比,TENG能夠通過改變接觸面積,滑動距離或間隔距離,更方便控制電壓和轉移電荷。這些自供電系統已經應用于自供電MEMS、智能存儲系統、微流體系統、空氣凈化器、便攜式分析儀器和電荷發射源等領域。未來,由于TENG的成本低廉和制造工藝簡單的特點,TENG的微流體芯片、彈性體智能光學器件、手持式靜電紡絲機、便攜式質譜儀和許多其他自供電系統的商業化都將成為可能。需要指出的是,基于壓電納米發電機(PENG)或駐極體發生器的高壓電源。PENG的輸出信號由施加的力決定,TENG的輸出電壓主要取決于分離距離。因此,TENG可應用于多種類的運動,例如滑動或甚至懸掛滑動。駐極體發生器是基于靜電和位移電流,這與TENG非常相似。然而,駐極體發生器必須使用可極化材料,而TENG的材料選擇范圍更廣泛。更重要的是,以前對駐極體發生器的研究,主要集中在MEMS芯片和輸出信號的增加。自動供電系統的概念,由納米發電機的研究人員建立,其產生的能量,可以直接用于驅動器件或實現有前途的功能。本文同時也總結了TENG作為直接電源面臨的挑戰和對于該領域未來研究的展望。

1)探索與TENG耦合的材料和器件。為了獲得有效、高度的可控系統,與TENG組合的材料和設備,需要滿足幾個先決條件。首先,目標材料和器件需要電壓可調,配合TENG的大輸出電壓和低輸出電流的特性。其次,與TENG耦合的目標材料和器件應具有良好的絕緣性,以減少漏電流,保持TENG的高電壓。在TENG的運動周期中,有限的電荷轉移,目標系統應該具有低功耗。最后,目標材料和設備應具有一些有用和獨特的功能,豐富TENG的自供電系統的應用范圍。

2)TENG可以發展出許多獨特的功能。利用TENG的優點,可以提高傳統電響應材料和器件的功能和有效性。TENG具有普遍適用性和多樣化的結構,可應用于各種領域。代替原有的電源,實現對便攜式的無源系統。許多大型操作系統可以采用TENG而小型化。TENG具有自我保護能力,可以在高壓器件中的應用,TENG產生的有限電荷,可以降低電擊穿的風險。TENG可以瞬時把機械能轉化為電信號,實現人機交互的橋梁。

3)TENG的自供電系統的挑戰。TENG的輸出電壓已經足夠高,但是輸出功率仍需要增加。另一方面,需要進一步改善TENG的輸出信號的控制,以便精確地調節在各種環境中系統的操作。兩種方法可以解決這個問題:一個是開發更環保的摩擦材料,使TENG的產量可以在不同的環境中更穩定;另一種是改善外部系統的絕緣性能,以抑制摩擦引起的電荷的泄漏。

?該工作的第一署名單位中國科學院大學納米科學與技術學院北京納米能源與系統研究所王中林課題組,課題組網頁:http://www.binn.cas.cn/ktz/wzlyjz/yjtdwzl/。課題組負責人是王中林院士,課題組重點開展壓電和摩擦式納米發電機和壓電電子學應用基礎、功能器件及集成系統研究,包括納米能源器件、主動式微納傳感器、自驅動納米器件與系統,并探索其在新能源、傳感器網絡和人機交互等領域的應用。王中林課題組和納米能源所誠招志同道合的學術人才,歡迎感興趣的老師和學生與我們聯系。

文獻鏈接:Electrically Responsive Materials and Devices Directly Driven by the High Voltage of Triboelectric Nanogenerators(Adv. Funct. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adfm.201806351)。

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