【每周科研(上)】通过三重协同增强策略实现直流摩擦纳米发电机的高摩擦带电和电荷收集效率

Pub Date : 2024-11-11

DOI:10.1002/adma.202412173

Synergetic Modulation of Electronic Properties of Cobalt Oxide via “Tb” Single Atom for Uphill Urea and Water Electrolysis

通过 “Tb” 单原子协同调制氧化钴的电子性质，用于艰难的尿素和水电解

Advanced Materials (IF 27.4)

Anhui University

探索混合尿素辅助水电解中的单原子 （SA） 催化剂为氢气 （H₂） 生成和污染水处理提供了一种可行的替代方案。然而，不利的电子稳定化、低 SA 含量、本质上缓慢的动力学和不平衡的吸附-脱附步骤是其放大实施的瓶颈。在此，稀土铽单原子 （Tb_SA） 通过尿素氧化反应 （UOR） 和 H2 析出反应 （HER） 的 Tb−O 配位在富含缺陷的 Co₃O₄ （Tb_SA@d-Co₃O₄） 上拓扑稳定。得益于 Tb_SA 与 d-Co₃O₄ 的强相互作用，Tb_SA@d-Co₃O₄ 在 1.27 V 和 −35 mV 下分别实现了 10 mA cm^-2 的电流密度（UOR 和 HER）。值得注意的是，当 Tb_SA@d-Co₃O₄ 作为双功能催化剂应用于双电极系统中时，它只需要 1.22 V 即可获得 10 mA cm^-2，并具有出色的操作稳定性 100 小时。混合电解槽可以由摩擦纳米发电机、AA 电池和标称电位为 1.5 V 的太阳能电池板成功供电。机理研究预测“Tb_SA”插入 d-Co₃O₄ 降低了电位决定步骤，这归因于中间体吸附-解吸的平衡反应能量和 UOR 的有利电荷转移特性。这项工作提供了一种新的范式来探索稀土“f-block”元素的催化特性，以通过结构调制产生先进的电催化剂。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202412173

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Pub Date : 2024-11-11

DOI:10.1002/advs.202409914

Biodegradable and Implantable Triboelectric Nanogenerator Improved by β‐Lactoglobulin Fibrils‐Assisted Flexible PVA Porous Film

β-乳球蛋白原纤维辅助的柔性 PVA 多孔薄膜改进的可生物降解和植入式摩擦纳米发电机

Advanced Science (IF 14.3)

Guizhou Medical University

摩擦纳米发电机 （TENG） 作为可植入、可降解的能源和自供电传感器非常有前途。然而，可降解的摩擦电材料在接触带电和机械性能方面往往受到限制。在此，提出了一种用于 PVA 气凝胶基摩擦电材料的生物大分子辅助增韧策略。通过将 β-乳球蛋白原纤维 （BF） 引入 PVA 气凝胶网络，该材料的机械性能在保持其抗溶胀性的同时得到显着增强。与纯 PVA 多孔薄膜相比，BF-PVA 多孔薄膜的断裂强度提高了 8 倍（从 1.92 J 增加到 15.48 J），柔韧性增加了 4 倍（从 10.956 MPa 增加到 39.36 MPa）。此外，在摩擦电性能测试中，BF-PVA 的电输出增加了近五倍（从 45 V 增加到 203 V）。利用这些增强特性，开发了一种用于植入式肌肉活动感应的可生物降解 TENG （bi-TENG），实现了对神经肌肉过程的实时监测。这项创新在推进植入式医疗设备和促进生物集成电子学的新应用方面具有巨大潜力。

原文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202409914

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Pub Date : 2024-11-11

DOI: 10.1088/2631-7990/ad88be

Manufacturing strategies for highly sensitive and self-powered piezoelectric and triboelectric tactile sensors

高灵敏度和自供电压电和摩擦电子触觉传感器的制造策略

International Journal of Extreme Manufacturing (IF 16.1)

Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST)

压电和摩擦电效应在促进高灵敏度和自供电触觉传感器应用方面越来越受到关注。压电和摩擦纳米发电机的工作原理为增强输出电压信号以实现高灵敏度提供了策略。增加压电常数和表面摩擦电荷密度是这种增强的关键因素。退火工艺、掺杂技术、晶粒取向控制、结晶度控制和复合结构等方法可以有效地提高压电常数。为了增加摩擦电输出，表面等离子体处理、电荷注入、微结构、介电常数控制和结构改性是有效的方法。制造方法为触觉传感器应用提供了重大机会。这篇综述文章总结了从材料到器件方面的整体压电和摩擦电制造过程。它重点介绍了压力、触摸、弯曲、纹理、距离和材料识别传感器中的应用。结论部分讨论了挑战和研究机会，例如有限的灵活性、可拉伸性、与多刺激的解耦、多功能传感器和数据处理。亮点 全面回顾了提高压电和摩擦传感器灵敏度的制造策略。确定并分析了提高压电常数和摩擦电荷密度的关键技术。该综述对通过材料合成和表面处理优化传感器性能的方法进行了分类。介绍了触觉传感器的各种应用，包括压力、纹理和材料识别。本文讨论了与用于可穿戴和机器人应用的多功能接触传感器相关的机遇和挑战。

原文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2631-7990/ad88be

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Pub Date : 2024-11-11

DOI:10.1021/jacs.4c09318

Nonaqueous Contact-Electro-Chemistry via Triboelectric Charge

通过摩擦电荷进行非水接触电化学

Journal of the American Chemical Society (IF 14.4)

Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems, Chinese Academy of Sciences

机械化学通过机械刺激彻底改变了传统反应，但其反应效率有限。利用液固接触带电 （CE） 的摩擦电荷的最新进展在提高反应效率方面显示出巨大的潜力。然而，其功效仍然受到水溶液中界面电双电层筛选的限制。这项研究开创了通过 CE 在非水体系中进行催化和发光的化学。密度泛函理论模拟和实验揭示了 CE 在不同溶剂中不同的电子转移能力和化学选择性。在 2 甲基亚砜 （DMSO） 中通过 CE 降解苯酚的速率比传统的机械驱动化学快 40 倍以上。更直观的比较表明，与去离子水相比，DMSO 中苯酚的 CE 降解速率提高了 30 倍，而去离子水的降解仍然不完全。在 DMSO 中仅通过 CE 生成的自由基氧化鲁米诺消除了对传统催化剂和副反应的依赖，建立了一个纯粹而简单的反应机理研究系统。保持高而稳定的发光特性 3 个月，成像精度和稳定性呈指数级提高。本研究强调了摩擦电荷对反应效率和化学选择性的影响，建立了非金属催化、机械发光的新范式，并为反应动力学提供了深刻的见解。

原文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.4c09318

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Pub Date : 2024-11-12

DOI:10.1016/j.nanoen.2024.110466

A Flexible Self-Powered Occlusal Force Sensor Array for Assisting Oral Occlusion Reconstruction

一种用于辅助口腔闭塞重建的柔性自供电咬合力传感器阵列

Nano Energy ( IF 16.8 )

Fudan University

咬合力越来越被认为是评估咀嚼运动功能障碍和患者牙科管理有效性的关键参数。然而，咬合力的评估缺乏客观的定量评估和可靠的监测技术。在这里，提出了一种灵活的自供电传感器阵列，用于实时监测咬合力，以进一步协助口腔咬合重建。采用摩擦纳米发电机技术，无电池传感器成功有效捕获牙齿的静态和动态咬合力，并将其转换为准确和定量的电信号。该传感器的平均灵敏度为 0.72 伏/牛顿，响应时间为 15 毫秒，在机电转换方面具有出色的同步性和耐用性。此外，基于互补半圆电极（15 × 15 像素）的传感器阵列能够构建可视化的电信号映射，从而反映咬合力的强度和位置。然后，研究人员可以分析图案化的电信号分布，为临床牙冠修复提供定量参考。我们期待这种自供电传感器阵列能够丰富咬合力检测的方法，并为口腔咬合的重建提供有价值的帮助。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110466

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Pub Date : 2024-11-12

DOI:10.1016/j.nanoen.2024.110471

Soft-soft contact TENG using nonlinear coupling galloping phenomenon for harvesting wind energy

利用非线性耦合驰动现象收集风能的软-软接触 TENG

Nano Energy (IF 16.8)

Zhengzhou University

摩擦电纳米发电机 （TENG） 可以将风能有效地转化为电能，这为风能收集提供了有效的解决方案。在此，提出了一种基于非线性耦合奔马现象的新型软-软接触 TENG （GS-TENG）。利用柔软的 Ecoflex 泡沫薄膜和柔软的弹簧钢板实现软-软接触。通过发泡技术在 Ecoflex 薄膜上构建了微球结构表面，有效地提高了摩擦电材料的表面电荷密度。因此，摩擦电材料的开路电压可以达到 1700 V。此外，GS-TENG能够在高风速下通过主动减小其振幅进行自我保护，并具有超宽的工作带宽（2.292 m/s∼>7.8 m/s）。当风速达到 4.74 m/s 时，GS-TENG 可产生高达 4.67 mW 的输出功率。值得注意的是，GS-TENG 的流致振动双质量系统结构可能为流致振动 TENG 的新设计范式铺平道路。GS-TENG可以连续驱动电子钟，并通过风能收集成功驱动无线温度传感系统。这些结果表明，我们开发的 GS-TENG 在风能收集方面具有很高的效率，这项工作极大地促进了 TENG 的实际应用。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110471

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Pub Date : 2024-11-12

DOI: 10.1088/2631-7990/ad878b

Advances of triboelectric and piezoelectric nanogenerators toward continuous monitoring and multimodal applications in the new era

新时代摩擦电和压电纳米发电机向连续监测和多模态应用的进展

International Journal of Extreme Manufacturing ( IF 16.1 )

Southeast University

得益于物联网和元宇宙时代的广泛潜在应用，摩擦电和压电纳米发电机（TENG & PENG）吸引了越来越多的关注。其自供电能力、高输出性能、集成兼容性、成本效益、简单配置和多功能操作模式等突出特点，可以有效延长广泛分布的可穿戴、植入和环境设备的使用寿命，最终实现自我可持续、免维护和可靠的系统。然而，由于单模态动力学响应和不连续瞬态输出的固有局限性，当前基于摩擦电/压电的有源（即自供电）传感器在连续监测和多模态应用中仍然遇到严重的瓶颈。这项工作系统地总结和评估了近年来应对上述挑战的研究工作，并详细讨论了挑战的起源、设计策略、器件性能以及相应的各种应用。最后，对自供电连续多模态监测系统的研究差距提出了结论和展望，提出了该领域未来研究发展的必要性。亮点 全面阐述了基于 TENG/PENG 的有源传感器的基本原理、基本工作模式和紧迫挑战。概述了实现基于 TENG/PENG 的持续监测的不同方法的总结和分析，并讨论了优缺点。系统总结了基于 TENG/PENG 的多模态传感的最新进展，并提供了详细的集成机制和性能分析。本文从多方面探讨了基于 TENG/PENG 的传感技术的重要应用、基本任务和未来研究方向。

原文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2631-7990/ad878b

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Pub Date : 2024-11-13

DOI:10.1016/j.nanoen.2024.110469

Long-life diamond-based tribovoltaic nanogenerator

长寿命金刚石基摩擦伏特纳米发电机

Nano Energy (IF 16.8)

North China University of Technology

半导体直流摩擦伏特纳米发电机 （SDC-TVNG）在开发新的半导体能源技术方面前景广阔。然而，动态金属-半导体肖特基接触界面的磨损会影响其使用寿命并限制其实际应用。本文报道了用金刚石制造的无磨损超长寿命 SDC-TVNG。本文采用球-平面构型，系统研究了金刚石基直流摩擦伏特纳米发电机 （DDC-TVNG） 的摩擦起电和摩擦学特性。DDC-TVNG 在 2.0 GPa 的接触压力下，经过 345,600 次往复循环后仍能保持高摩擦电输出，并且无磨损，远高于硅基 DC-TVNG。正常负载和滑动频率的增加提升了摩擦电输出。金刚石的极高硬度和抗磨损能力是长寿命性能的关键。这项工作扩展了半导体基摩擦伏特纳米发电机的研究，并有助于更深入地理解摩擦伏特效应。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110469

责编：旺旺杰

Pub Date : 2024-11-13

DOI:10.1039/d4ee03784g

High triboelectrification and charge collection efficiency of direct current triboelectric nanogenerator achieved by tri-synergistic enhancement strategy

通过三重协同增强策略实现直流摩擦纳米发电机的高摩擦带电和电荷收集效率

Energy & Environmental Science (IF 32.4)

Chongqing University

直流摩擦纳米发电机（DC-TENG）利用空气击穿效应从介电摩擦层收集摩擦电荷，为TENG提供了一种新型的机械能收集模式，在能量转换过程中表现出高效率。然而，基于结构设计和材料改性提高输出性能仍面临巨大挑战。在此，我们提出了一种具有三重协同增强机制的三元双直流TENG（TDD-TENG）。其策略包括：通过无缝排列 PTFE/PA/电极，在滑块上采用多单元结构优化空间，实现空间利用率的最大化；通过采用 PTFE、PA 和PU泡沫作为摩擦层介质材料，并在聚氨酯泡沫上自发引入 PTFE 粉末来选择三元介电材料，以实现更高的摩擦起电效应和表面润滑性；通过底部电极设计，在滑块上收集电荷以及收集电极（CCE）未触及的电荷，形成双直流输出。因此，TDD-TENG 的平均功率密度达到 18.37 W m^-2，是滑动模式直流TENG 中最高的。此外，旋转式 TDD-TENG 的输出电荷密度在5 rpm的超低转速下达到了 7.3 mC m^-2。这项工作为直流TENG 从结构设计和材料改性方面提高输出功率提供了一种新方法。

原文链接：https://doi.org/10.1039/D4EE03784G

责编：旺旺杰

Pub Date : 2024-11-13

DOI:10.1016/j.nanoen.2024.110470

Tin can telephone-inspired self-powered mechanical wave communication integrated with self-charge excitation triboelectric nanogenerator

一种锡罐电话式自供电机械波通信与自充电励磁摩擦纳米发电机集成

Nano Energy (IF 16.8)

Chongqing University

作为电磁波通信的替代方案，机械波（MW）在成本效益、简便性、抗干扰性和短距离传输等几个方面保持着优势。本文提出了一种串振自供电机械波通信系统（SSMWC）。受铁罐电话的启发，调制电压信号通过振动器转换为机械波，然后沿弦传输到接收器。接收器集成了一个弦振动三电纳米发电机（SV-TENG）和一个自充电激励三电纳米发电机（SCE-TENG）。SV-TENG 可以在没有外部电源的情况下探测 MW 并将其转换为电信号，而 SCE-TENG 的集成则是为了提高接收器的灵敏度。在对 SCE-TENG 进行充电泵浦后，SV-TENG 在 0-1000 Hz 频率范围内的平均输出可增加 88 倍，这表明自充电激励首次成功应用于三电传感。此外，信息编码和实时解码的演示证明了 SSMWC 作为一种替代方法在特定环境中的潜在应用。这项工作表明，三电传感器所面临的瓶颈已被突破，即封装前必不可少的预备接触电气化，这确实会影响灵敏度和耐用性。因此，该方案可广泛应用于增强输出，尤其是输出较低的三电传感器。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110470

责编：旺旺杰

Pub Date : 2024-11-14

DOI:10.1039/d4ta07127a

Artificial Intelligence Assisted Nanogenerator Applications

人工智能辅助纳米发电机应用

Journal of Materials Chemistry A (IF 10.7)

University of California, Los Angeles

压电和摩擦纳米发电机在将环境机械能转化为电能方面处于领先地位。通过与人工智能（AI）的集成，它们在功能和自主性方面实现了重大飞跃。这种集成不仅通过提高机械能到电能转换效率来提高纳米发电机的自主运行性能，而且还为机器人和智能系统开辟了新的途径。它增强了这些设备的响应速度和适应能力。展望未来，纳米发电机与 AI 的结合将在促进可持续和环保能源解决方案方面发挥关键作用。它们对提高智能系统能力和促进环境可持续性的双重贡献标志着纳米发电机在机器人技术中的应用取得了重大进步。这篇综述强调了人工智能在改进纳米发电机中的重要作用，突出了实现能源自主性和可持续性的途径。

原文链接：https://doi.org/10.1039/D4TA07127A

责编：旺旺杰

Pub Date : 2024-11-15

DOI:10.1002/adfm.202416749

Multifunctional Triboelectric Metamaterials with Unidirectional Charge Transfer Channels for Linear Mechanical Motion Energy Harvesting

具有单向电荷转移通道的多功能摩擦电超材料，用于线性机械运动能量收集

Advanced Functional Materials (IF 18.5)

McGill University

传统的摩擦发电机（TEG）主要收集线性机械运动的能量，并将其转换为振荡或脉冲能量，但不能持续输出电能。本研究引入了单向电荷转移机制，以开发一种具有可持续电力输出的摩擦电机械超材料（TMM）。密度泛函理论和实验分析表明，仅用两种摩擦电材料（即铜和聚四氟乙烯）制造的 TMM 至少需要三个组件才能产生可持续的电输出。在±50%的大范围压缩拉伸应变下，最大开路电压、短路电流和体积功率密度分别为3860 V、8 µA和365.3 kW m^-3。与大多数传统晶胞固体不同，TMM 的机械能耗散随单位晶胞数的增加而呈二次曲线增加。当晶胞小型化时，可实现较高的体积机电效率。除了能量收集和机械能耗散外，TMM 还能通过计算短路电荷转移或反作用力与时间关系曲线中独特峰值的数量来感知位移。TMM 极强的机电功能有助于其在智能悬挂系统、微型绿色电源和自感应能量收集器中的应用。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202416749

责编：旺旺杰

Pub Date : 2024-11-15

DOI:10.1002/adfm.202415483

A Pulsed Bubble-Driven Efficient Liquid-Solid Triboelectric Nanogenerator

脉冲气泡驱动的高效液固摩擦纳米发电机

Advanced Functional Materials (IF 18.5)

Guangxi University

从水下气泡中获取能量，尤其是为离网电路供电，已经引起了广泛关注。然而，气泡驱动的液-固界面电荷转移的效率仍然很低。这项研究揭示了一种现象：加速气泡滑移可增强液-固界面电荷转移。基于这一发现，提出了一种基于脉冲气泡的发电技术，脉冲气泡产生的能量密度为 24.2 mJ L^-1。脉冲气泡发电的关键在于对冲击速度的精确控制。通过精细调节气泡的冲击动能，将多个小气泡积累的势能转化为瞬时脉冲动能。一个典型的脉冲气泡被控制在 72 ms 的时间范围内，释放出可以直接照亮 400 个发光二极管的能量。这种方法代表了水下能量收集技术的突破性进步，极大地扩展了其潜在应用。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202415483

责编：旺旺杰

Pub Date : 2024-11-15

DOI:10.1039/d4mh01310g

Full-fiber triboelectric nanogenerator with knitted origami structure for high impact resistance intelligent protection fabric

一种采用针织折纸结构的全纤维摩擦纳米发电机，用于高抗冲击智能防护面料

Materials Horizons (IF 12.2)

Wuhan Textile University

未来十年，人口老龄化将成为全球性挑战，因此，具有出色防护性能和智能传感能力的下一代织物将有助于保护老年人免受意外伤害。然而，对于织物涂层和多层复合等广泛使用的技术，如何在舒适性、稳定的抗冲击保护和智能监控等多功能之间保持平衡仍是一个难题。在此，开发了一种具有摩擦电能力的全纤维复合纱线，然后将其编织成折纸结构针织物 （OSKF）。由于同轴扭转结构，复合纱线表现出优异的断裂强度 （219.18 MPa）。全纤维多尺度结构设计赋予了 OSKF 显着的能量吸收能力（吸收大于85%的外力）和所需的自供电传感性能，而不会影响舒适性。OSKF 还具有应对各种危险情况的独特能力，例如外部机械力刺激、尖锐物体切割和意外跌落等。这项工作为基于针织面料结构设计的全纤维材料的下一代智能防护可穿戴设备的设计开辟了一条新路径。

原文链接：https://doi.org/10.1039/D4MH01310G

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