【每周科研(上)】摩擦纳米发电机驱动电化学水分解制氢：基本原理、进展和挑战

Pub Date : 2024-11-24

DOI:10.1002/smll.202407043

Triboelectric Nanogenerator Drives Electrochemical Water Splitting for Hydrogen Production: Fundamentals, Progress, and Challenges

摩擦纳米发电机驱动电化学水分解制氢：基本原理、进展和挑战

Small (IF 13.0)

University of Science and Technology Beijing

目前，摩擦纳米发电机(TENG)因其从环境中收集波浪能和风能的潜力以及驱动电化学分解水以生产氢燃料的能力而受到广泛关注。本文综述了海浪和风能收集TENGs 以及TENG驱动的电化学分解水工艺用于析氢反应的最新进展。为了更好地理解，这篇综述从TENG 和电化学分解水的基础知识开始。然后介绍了TENG的工作原理和电化学(EC)分解水对析氢反应 (HER)的机理。随后，系统讨论了海浪和风能收集TENG 的输出性能增强进展，包括结构设计、摩擦电材料选择和功率管理，所有这些都对 TENG的输出性能增强以及TENG与电化学水分解电池的集成具有重要意义。虽然本文侧重于TENG驱动的电化学分解水工艺对HER的推广策略，但也强调了水分解的挑战。同时希望本综述可为TENG驱动的电化学系统的设计提供深入的见解和方向，以积极、经济的方式促进氢燃料生产。

原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202407043

责编：麦克西

Pub Date: 2024-11-24

DOI:10.1002/aenm.202404147

A Self-Recovery Triboelectric Nanogenerator with High Breakdown Resistance for Water Wave Energy Harvesting

一种用于水波能量收集的高抗击穿自恢复摩擦电纳米发电机

Advanced Energy Materials (IF 24.4)

Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems

摩擦纳米发电机 (TENG)收集海浪能是缓解能源危机的有效方法。然而，对于具有大面积介电层的TENG 来说，击穿现象无处不在，这不仅限制了输出和可靠性，而且极有可能导致器件故障。本文设计了一种具有高击穿电阻的自恢复TENG(SR-TENG)，借助电荷激励技术实现了4.24 mC m^-2的高输出电荷密度，即使在6次剧烈电击穿后也能保持87%的初始输出，最大限度地减少了击穿现象的负面影响。此外，基于SR-TENG，设计了对称的蛇形自充电激发TENG，用于有效的水波能量收集。这项工作不仅揭示了TENG中的自恢复现象，而且代表了向具有高抗击穿性和终极稳定性的高性能TENG迈出的重要一步，加速了TENG在蓝色能量收集中的实际应用。

原文链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202404147

责编：麦克西

Pub Date : 2024-11-24

DOI: 10.1016/j.apcatb.2024.124859

Piezoelectric Field and TENG Co-Promoted Photocatalytic Degradation of HCHO on BaTiO₃/g-C₃N₄/PTFE/Cu for Self-Cleaning and Air-Purification

压电场和TENG共同促进 HCHO 在 BaTiO₃/g-C₃N₄/PTFE/Cu 上的光催化降解，用于自清洁和空气净化

Applied Catalysis B: Environment and Energy (IF 20.2)

Shanghai University of Electric Power

光催化是一种强大的空气净化方法，关键问题是如何设计强大而稳定的光催化剂。本工作开发了一种新型三重功能性钛酸钡(BaTiO₃)/氮化硼(g-C₃N₄)/聚四氟乙烯(PTFE)/Cu 光催化剂。BaTiO₃的风感应压电场与BaTiO₃/g-C₃N₄异质结一起促进了光电子-空穴对的分离。同时，PTFE/Cu 薄膜通过摩擦纳米发电机 (TENG) 产生的风产生的表面电荷促进了·O2^- 和通过静电吸引吸附甲醛(HCHO)。结果表明BaTiO₃/g-C₃N₄//PTFE/Cu 薄膜在风吹和阳光照射下对空气中痕量 HCHO 的降解活性很高，是纯 g-C₃N₄的1.5 倍。此外，它还表现出很强的抗PTFE浸出稳定性，从而在光催化过程中具有较长的使用寿命。通过在汽车和火车表面喷涂压电光催化剂薄膜，本研究为在阳光照射和风吹下进行自我清洁和空气净化提供了一种高效耐用的策略。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.124859

责编：麦克西

Pub Date : 2024-11-23

DOI:10.1016/j.nanoen.2024.110501

A Flexible, Sustainable, and Deep Learning-Assisted Triboelectric Patch for Self-Powered Interactive Sensing and Wound Healing Applications

一种灵活、可持续且深度学习辅助的摩擦电贴片，用于自供电交互式传感和伤口愈合应用

Nano Energy (IF 16.8)

National Central University

具有传感和能量收集能力的多功能纤维素基摩擦纳米发电机(TENG)正在成为下一代医疗保健电子产品的有前途的候选者。然而，输出性能和设备可持续性不足限制了它们的进一步应用。本研究开发了一种基于SnS₂的纳米复合材料，具有可调的表面摩擦电特性，通过密度泛函理论(DFT)模拟并通过开尔文探针力显微镜(KPFM)进行表征。然后将基于SnS₂的纳米复合材料集成到基于纤维素的TENG(C-TENG)中，以提高输出性能并作为人类运动监测的生物力学传感介质的功能。还采用了一维几何快速数据密度函数变换(1-D g-fDDFT)模型来提高设计的传感器预测精度。此外，C-TENG被用作伤口治疗的自供电体外电刺激装置。C-TENG不仅展示了未来可持续、自供电医疗保健传感器的巨大潜力，而且代表了未来可穿戴伤口管理系统的进步。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110501

责编：麦克西

Pub Date : 2024-11-23

DOI:10.1016/j.compositesb.2024.111995

Boosted Triboelectric Performance in Stretchable Nanogenerators via 2D MXene-Driven Electron Accumulation and LiNbO₃-Assisted Charge Transfer

通过 2D MXene驱动的电子积累和 LiNbO₃ 辅助电荷转移提高可拉伸纳米发电机的摩擦电性能

Composites Part B: Engineering (IF 12.7)

Chonnam National University

压电增强摩擦电混合纳米发电机(PET-HNG)的开发因其在能量收集方面的潜力而受到广泛关注。然而，由于缺乏高性能、可拉伸的材料成分和对所涉及的电荷转移机制的全面了解，它们在空气和水等不同环境的可拉伸应用中的性能仍然有限。为了应对这些挑战，通过将2D MXene纳米片和压电LiNbO₃微粒嵌入Ecoflex聚合物基质中，设计了一种高性能、可拉伸的纳米/微复合薄膜。量子力学计算表明，MXene纳米片显著增加了费米能级附近的电子密度，而 LiNbO₃微粒在与聚二甲基硅氧烷(PDMS)接触通电过程中增强了电子转移。这种协同效应导致摩擦电能量收集性能的显著增强，与使用纯Ecoflex基TENG 的系统相比，复合膜的电压增加了355%，电流增加了324%，功率输出密度提高了100%。制造的PET-HNG表现出卓越的输出指标，包括455V的电压、140μA的电流、15.6W m^-2的功率输出密度和78.5%的能量转换效率，同时即使在机械拉伸下也能保持出色的性能稳定性。这种可拉伸纳米发电机作为自供电可穿戴传感器显示出巨大的潜力，可用于各种环境(包括空气和水下)的实时生物力学监测。这项创新为下一代可穿戴电子设备和能量收集设备的开发铺平了道路。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111995

责编：麦克西

Pub Date : 2024-11-23

DOI:10.1016/j.compositesb.2024.111997

Recovered graphene-hydrogel nanocomposites for multi-modal human motion recognition via optimized triboelectrification and machine learning

通过优化的摩擦耦合和机器学习回收石墨烯-水凝胶纳米复合材料，用于多模态人体运动识别

Composites Part B: Engineering (IF 12.7)

Sungkyunkwan University

水凝胶在基于摩擦纳米发电机(TENG)的便携式、柔性、可穿戴和自供电电子设备中具有广泛的应用。水凝胶的一个重要问题是它们会随着时间的推移而脱水，这会导致离子电导率和机械柔韧性下降。此外，目前用于生产这些水凝胶的技术主要依赖于冻融工艺，该工艺对聚合物构象的改性能力有限。在此，提出了一种新的水辅助回收水凝胶，使用一种简单的策略通过优化交联和结晶域来制备高性能的水凝胶基TENG。在TENG中合成静电电极涉及通过交联将聚环氧乙烷(PEO)掺入聚乙烯醇(PVA)水凝胶网络中。添加石墨烯纳米片(GNP)以精确调节电导率。GNP在水凝胶中构建骨架结构并增强电荷传输能力。电导率会随GNP浓度而变化，因此可以很容易地控制水凝胶的电输出。水的再吸收增加了交联的密度和结晶度，使水凝胶表现出比原始水凝胶更优越的性能。回收水凝胶产生约594V、40μA和32 nC。回收水凝胶具有非凡的耐用性，能够承受超过16,000次接触分离循环。此外，它可以拉伸至其原始长度的541%，并且比没有恢复过程时改善了几乎两倍。通过将基于石墨烯的多模态TENG传感器与机器学习相结合，创建了一个最先进的行为监测系统，该系统可以可靠地检测敲击手指，平均准确率为95%。这项研究的结果将为开发自主运动传感器和灵活的可再生能源的新方法铺平道路。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111997

责编：麦克西

Pub Date : 2024-11-22

DOI: 10.1002/smll.202408925

Waste‐To‐Energy: Sustainable Triboelectric Stimulating System Constructed by Bone Gelatin Based Triboelectric Nanogenerator for Crop Growth

废物再利用：基于骨明胶材料的可持续摩擦电刺激系统，用于作物生长

Small (IF 13.0)

Shaanxi University Of Science & Technology

滥用杀虫剂和化肥等合成化学品会危害环境和人类健康，放弃化学品的使用可能会引发全球粮食短缺。粮食生产迫切需要生态友好型替代品，而不需要过量的合成化学品。为了应对这一挑战，一种创新方法使用POSS聚合物(PA)来改性废骨明胶(BG)，构建了为种子发芽摩擦电刺激系统(PTSS)量身定制的可生物降解摩擦纳米发电机 (PAG-TENG)。PA的酰胺基团提高了BG的电子供应能力，3D笼状结构捕获和转移了BG的电荷，从而提高了PAG-TENG的输出性能。当环境压力变化时，PAG-TENG形成的空间静电场会促进种子发芽。因此，PAG-TENG的输出性能从52.34V和40.25nA 提高到247.15V和482.12nA，灵敏度为14.4957 V·kPa^-1。它在6000次测试循环后保持初始稳定性能。此外，所制备的PAG-TENG具有良好的韧性、半透明性和可降解性。经PTSS高压静电场处理，豌豆发芽率显著提高了约27%。本工作实现了废弃资源BG的高值化利用，为智能农业的发展提供了新的方向。

原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202408925

责编：麦克西

Pub Date : 2024-11-22

DOI:10.1002/advs.202408689

Triboelectric‐Inertial Sensing Glove Enhanced by Charge‐Retained Strategy for Human‐Machine Interaction

通过电荷保持策略增强的人机交互摩擦电惯性传感手套

Advanced Science (IF 14.3)

Tsinghua University

随着技术的进步，人机交互(HMI)需要更直观、更自然的方法。为了满足这一需求，能够捕捉复杂手部动作的智能手套正在成为重要的HMI工具。此外，基于摩擦电的传感器具有自供电、成本效益高和材料多样的特性，可以为增强现有的手套系统提供有前途的解决方案。然而，这些传感器的一个关键限制是测量电路中的电荷泄漏导致仅捕获瞬态信号，而不是连续变化。为了解决这个问题，开发了一种有效防止摩擦电信号衰减的电荷保持电路，从而能够准确测量连续的手指运动。这项创新为高度集成的智能手套系统奠定了基础，通过将连续的摩擦电信号与惯性传感器数据相结合来增强HMI功能。该系统展示了多种应用，包括复杂的机器人控制、虚拟现实交互、智能家居照明调节和直观的界面操作。此外，通过利用人工智能(AI)技术，该系统可以准确识别复杂的手语，准确率高达99.38%。这项工作提出了一种使用基于摩擦电的传感器进行连续传感的电荷保留方法，为开发未来的多功能HMI和手语识别系统提供了有价值的见解。所提出的智能手套系统具有双模式传感和AI集成，在彻底改变各个领域和增强用户体验方面具有巨大潜力。

原文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202408689

责编：麦克西

Pub Date : 2024-11-22

DOI:10.1016/j.nanoen.2024.110491

Innovative Smart Gloves with Phalanges-based Triboelectric Sensors as a Dexterous Teaching Interface for Embodied Artificial Intelligence

采用基于指骨的摩擦电传感器的创新智能手套作为嵌入式人工智能的灵巧教学界面

Nano Energy (IF 16.8) 

Northwestern Polytechnical University

嵌入式人工智能(EAI)使机器人能够通过与外部世界的复杂交互来自主学习，并通过集成的语音和视觉功能进行增强，以便与用户进行有效沟通。相比之下，人类的学习最初是在没有语言的情况下进行的，手势是一种有效的教育工具和重要的交流方式。这项工作提出了一种利用摩擦纳米发电机(TENG)的智能手套，专门设计为EAI(Ti-EAI)的高级教学接口，以促进人与机器人之间的交互。基于指骨的摩擦电传感器（PTS）采用分段式设计，能够适应手指的运动，从而最大限度地减少传感器干扰，保证运动的自然性。集成了具有相位差的双层电极设计的联动机构，以优化信号输出并丰富信号中嵌入的手势信息。在Ti-EAI系统中，人类操作员利用支持PTS的手套作为教学媒介，系统地向机器人传授指令和知识。这种配置通过利用基于手势的通信，显著增强了机器人感知环境细微差别的能力，从而提高了其内在智能。Ti-EAI系统使机器人能够自主识别手势，通过主观动作进行逻辑交互，并通过利用大型模型维持持续的对话。值得注意的是，该系统的发现表明EAI取得了重大进展，从而拓宽了其在类人机器人中的应用范围，并促进了其更深入地融入不同的日常生活环境。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110491

责编：麦克西

Pub Date: 2024-11-22

DOI:10.1002/adfm.202414324

Advanced Aerodynamics-Driven Energy Harvesting Leveraging Galloping-Flutter Synergy

利用Galloping-Flutter协同作用的先进空气动力学驱动能量收集

Advanced Functional Materials (IF 18.5)

Nanyang Technological University

流激振动(FIV)是非旋转风能收集的基本原理，然而，依赖于单个FIV效应的纳米发电机仍然受到微风能转换效率不足的限制。在本文中，我们提出了一种新型的驰骋-颤振耦合纳米发电机(GFNG)，它利用这两种空气动力学现象之间的协同相互作用，在宽风速带宽上实现高性能。使用集成了驰骋压电能量收集器 (GPEH)和颤振摩擦纳米发电机(FTENG)的多功能柔性梁实现驰骋-颤振耦合机构(GFM)。通过细致的优化，它通过驰骋诱导的光束振荡加强摩擦电接触行为，在低于6 m s^-1的低风速下将FTENG的平均电力输出显著提高了六倍。GFNG在1.4至10 m s^-1 的风速范围内表现出6.3 mW的最大平均功率，以及增强型FTENG在10 m s^-1时表现出7.1 W m^-2的功率密度，可实现508个LED的照明和无线传感器节点(WSN)的稳定供电。这项研究为通过利用多种FIV协同效应设计高性能空气动力学驱动的纳米发电机提供了新的见解，拓宽了智能风能应用的潜力。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202414324

责编：麦克西

编辑：王富贵儿  |  审核：Wei