【每周科研（下）】通过摩擦电效应吸收空气噪声

Pub Date : 2024-10-31

DOI: 10.1002/adma.202412856

A Synergistically Enhanced Triboelectric‐Electromagnetic Hybrid Generator Enabled by Multifunctional Amorphous Alloy for Highly Efficient Self‐Powered System

一种由多功能非晶合金实现的用于高效自供电系统的协同增强摩擦电-电磁混合发电机

Advanced Materials ( IF 27.4 )

Chongqing Normal University

摩擦电-电磁混合发电机（TEHG）已成为一种有效的机械能收集技术。然而，摩擦纳米发电机（TENG）和电磁发电机（EMG）的独立运行，以及摩擦材料的磨损和磁场发散，限制了该器件的整体性能。为了应对这些挑战，本文提出了一种基于多功能非晶合金的协同增强TEHG（SE-TEHG）。经过详细的材料分析，Fe72Si8B20因其低表面粗糙度、高维氏硬度、非晶结构和高磁化强度而被选为协同层。与铝相比，这种材料不仅使TENG的输出电流和电流保持率提高了28.75%和85.24%，而且使EMG的输出功率提高了51.05%。在使用TEHG构建自供电系统时，能量采集器（TENG的匹配阻抗为16 MΩ，EMG的匹配阻抗为110 kΩ）与应用端之间存在显着的阻抗差异。在没有电源管理电路的情况下，所展示的自供电可变阻抗系统实现了比传统恒定阻抗系统高2.98倍的能源利用效率。集成多功能材料以实现强耦合混合发电机，结合可变阻抗系统的定制，为高效的机械能收集和利用树立了里程碑。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202412856

责编：白鹤

Pub Date : 2024-10-31

DOI: 10.1002/adfm.202415338

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202415338

责编：白鹤

Pub Date : 2024-10-31

DOI: 10.1038/s41467-024-53847-5

Mechanism of airborne sound absorption through triboelectric effect for noise mitigation

通过摩擦电效应吸收空气噪声的机制

Nature Communications ( IF 14.7 )

National University of Singapore

使用无源空气传播吸声器减轻宽带噪声一直是一项长期挑战，特别是对于低于千赫兹的低频长波长人为声音，这需要笨重的材料才能有效吸收。本文提出了一种利用局部摩擦电效应和原位电能耗散机制进行空气吸声的策略。与传统的机械热能转换机制相比，这种方法涉及一种完全不同的机制，它将空气中的声音转化为电能以进行能量消散。这项研究建立了一个等效声阻抗模型，以提供潜在吸声机制的理论分析，在最佳条件下，理论最大机械-电-热耦合效率接近 100%。研究相应地设计了纤维摩擦电复合泡沫材料，并通过实验展示了它们显着提高的吸声性能，其中不同的摩擦电材料对的采用验证了材料电荷亲和力的较大差异会增强局部摩擦电效应并导致更高的吸声性能。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-53847-5

责编：白鹤

Pub Date : 2024-11-01

DOI: 10.1016/j.nanoen.2024.110427

A novel method reflecting mechanical-electrical conversion process of triboelectric nanogenerators and its application in human-machine interaction

一种反映摩擦纳米发电机机电转换过程的新方法及其在人机交互中的应用

Nano Energy ( IF 16.8 )

Henan University

摩擦纳米发电机（TENG）通过提供可控的电信号来表征能量转换过程中的机械运动过程，使其成为人机交互、人体运动表征和健康监测应用的高效传感器。然而，准确表征机电转换过程和提高传感器可靠性需要在电信号和TENG运动之间建立高精度的定量关系。这项研究提出了一种准确分析TENG连续运动状态的方法，该方法基于独特的电荷检测电路成功反映了三种TENG的机电转换过程。电荷检测电路由低成本电子元件构成，能够将来自TENG的微弱电荷信号转换为适度的电压信号，从而可以无缝集成到传统电子系统中。基于该方法，本文展示了TENG运动毫米级电荷输出的检测，以及通过手指产生的电荷输出来控制机械手。此外，还设计了一种便携式多通道信号采集系统，以实现对多样化手势的表征。这项工作不仅为基于TENG的传感应用在运动信息提取方面提供了一种廉价可靠的解决方案，而且在一定程度上促进了摩擦电传感器的工程应用。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110427

责编：白鹤

Pub Date : 2024-11-01

DOI: 10.1016/j.nanoen.2024.110437

A non-contact triboelectric vibration sensor with a spiral floating electrode structure for low-frequency vibration monitoring

一种用于低频振动监测的螺旋浮动电极结构非接触式摩擦电振动传感器

Nano Energy ( IF 16.8 )

Shanghai Jiao Tong University

许多振动监测场景都需要低频下的高灵敏度，但商用压电振动传感器在此范围内通常缺乏足够的灵敏度。这项工作介绍了一种具有螺旋浮动电极结构 （SFE-TEVS） 的新型非接触式摩擦电振动传感器，实现了 100V/g 灵敏度，比商用压电振动传感器高 500 倍，并在很宽的频率范围 （1-1000Hz） 内工作。非接触式设计和集成结构有助于提高耐用性，并在 300,000 次循环中保持稳定的性能。此外，SFE-TEVS 表现出优异的加速度线性度 （R² = 99.95%） 和频率一致性，这两者都与理论分析结果一致。因此，它被用于监测低频主动地震信号和机械运行状态。SFE-TEVS 被进一步制成水听器，用于监测极低频水声波。它在 10-100Hz 频率范围内表现出远优于商用 8105 水听器的灵敏度，在 65Hz 时比它高出 31.7dB，同时表现出出色的方向性。SFE-TEVS 结合了高灵敏度、宽频率范围和卓越的耐用性，展示了主动地震、机械振动和水声学监测的巨大潜力，进一步推动了 TENG 在这些领域的应用。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110437

责编：霜序

Pub Date : 2024-11-04

DOI: 10.1002/adfm.202416577

Fabric‐Reinforced Functional Insoles with Superior Durability and Antifracture Properties for Energy Harvesting and AI‐Empowered Motion Monitoring

织物增强的功能性鞋垫具有卓越的耐用性和抗断裂性能，用于能量收集和 AI 驱动的运动监控

Advanced Functional Materials ( IF 18.5 )

The Hong Kong Polytechnic University

功能性摩擦电鞋垫有望推动自供电可穿戴技术的发展。然而，它们的耐用性会受到持续压缩力和摩擦的影响，导致表面磨损和材料破裂。为了应对这些挑战，开发了一种创新的织物增强结构与双 L 形靠背设计相结合，增强了防断裂能力和电力输出，同时实现了 AI 驱动的运动监控。聚二甲基硅氧烷 （PDMS） 用作具有双 L 靠背设计的负极摩擦电材料，而绝缘铜线 （icuW） 用作具有环形结构设计的正极摩擦电材料。这些组件错综复杂地嵌套在一起，以实现多层摩擦配对。织物增强结构表现出优异的压缩回弹能力，可承受至少 1000 N 的力。这款功能性鞋垫采用织物增强的双 L 靠背结构 （FRdL 鞋垫），可有效收集生物力学能量，峰值功率为 8214 μW，并在 10 次洗涤循环和 60 000 次耐久性测试后保持高度一致的性能。它可以为便携式电子设备供电，例如数字手表、计算器、湿度计和 LED。FRdL 鞋垫采用机器学习算法进行增强，可处理传感器信号以监控人体运动，准确识别七种不同的运动。这将鞋垫定位为一种智能、实时、自供电的活动识别工具，展示了其在智能可穿戴技术方面的潜力。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202416577

责编：霜序

Pub Date : 2024-11-04

DOI: 10.1002/advs.202409917

MnO2 Nanowires with Sub‐10 nm Thick Conjugated Microporous Polymers as Synergistic Triboelectric Materials

具有亚 10 nm 厚纳米线的MnO2共轭微孔聚合物作为协同摩擦电材料

Advanced Science ( IF 14.3 )

Sungkyunkwan University

涂有共轭微孔聚合物（CMP）的 MnO2纳米线用作摩擦电能量收集材料。在 MnO2纳米线（MnO2 NW） 的帮助下，CMP 壳的摩擦阳性性能得到增强，这可能是由于阳离子电荷从摩擦阳性CMP层转移到MnO2 NW的表面形成Mn2+和 Mn3+。这得到了模型研究的支持。具有亚10 nm厚CMP层的MnO2@CMP-2显示出很好的摩擦电输出电压，最高可达576 V，最大功率密度为1.31 mW cm-2。用MnO2@CMP-2/PVP-3薄膜制造的弹簧辅助摩擦纳米发电机ke用作操作电子设备的电源。

原文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202409917

责编：霜序

Pub Date : 2024-11-04

DOI: 10.1002/adfm.202416944

Superior Charge Density of Triboelectric Nanogenerator via Trap Engineering

通过陷阱工程实现摩擦纳米发电机的超高电荷密度

Advanced Functional Materials ( IF 18.5 )

Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems

摩擦纳米发电机（TENG）将高熵机械能转化为电能提供了一种创新途径，但实现高电荷密度仍然是关键挑战。尽管使用具有高比容的摩擦材料能够有效抑制空气击穿，但材料内部的电荷损失依然是限制其性能提升的关键因素。在这里，基于具有高比容的聚偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯（P(VDF-TrFE-CFE)）材料，分别采用钛酸钡（BTO）纳米颗粒引入高极性界面以及利用与聚醚酰亚胺（PEI）的静电相互作用引起密集链段堆积优化了陷阱密度和能量。使用0.2 vol% PEI/P(VDF-TrFE-CFE)薄膜，外激励（ECE）TENG实现了9.23 mC m−2的超高电荷密度，这是已报道的单个单元TENG中的最高电荷密度。这项研究为高性能TENG提供了新颖的材料设计策略，为其大规模实际应用铺平了道路。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202416944

责编：霜序

编辑：霜序  |  审核：树屋鼠