研究背景
随着便携式和可穿戴电子设备的不断发展，对高效可再生能源的需求日益增加。摩擦纳米发电机(TENG)作为一种有前景的能量收集技术，可以将机械能如微风、水流和人体运动转换为可用的电能，因此引起了广泛关注。TENG的效率关键取决于摩擦材料的表面形貌，通过结构设计来增加接触面积和表面摩擦力可以提高电荷转移效率，同时开发能够在界面产生更多电荷的材料也是一个重要方向。
现有的TENG结构设计主要集中在平面结构和简单的三维微结构，如线状柱和蘑菇状结构等。这些结构在干燥和潮湿环境下的性能仍有待提高。因此，开发新型的三维生物模拟结构来显著提升TENG性能，成为一个值得探索的研究方向。本文提出了一种受潜水甲虫启发的新型三维表面结构，通过增加界面的物理粘附力来大幅提高TENG的发电性能，为TENG技术的进一步发展提供了新的思路。
文章概述
文章研究了一种受潜水甲虫启发的新型三维表面结构(DIA)，通过增加界面的物理粘附力来大幅提高摩擦纳米发电机(TENG)的发电性能。DIA结构模仿了潜水甲虫前肢上的吸盘状微结构，具有内部微型真空腔的设计，可以产生吸附力。作者通过对比分析了不同物理粘附结构，成功确定了最优配置。实验结果表明，DIA结构在干燥和潮湿环境下均能显著提高TENG的输出电压、电流和电荷量。在干燥条件下，DIA-TENG的输出电压可达1200 V，输出电流可达120 μA，输出电荷量可达1.5 μC。在潮湿条件下，DIA-TENG的输出性能也有明显提升。此外，DIA-TENG还展现出良好的稳定性，可连续工作1000个循环而不会降低性能。
作者认为，DIA结构引入的多种物理粘附力是提高TENG性能的关键。与传统的化学粘合剂相比，DIA结构具有半永久性功能，即使在持续的摩擦电诱导下也能保持良好的粘附性能。这一研究为TENG技术的进一步发展提供了新的思路，未来可能应用于水下等更极端环境中，而无需对设备进行封装或钝化处理。
研究相关成果以标题为“Suction-forced triboelectricity escalation by incorporating biomimetic 3-dimensional surface architectures”发表在Nano Energy上。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110480
图文导读
图1.潜水甲虫启发的3D架构和TENG诱导机制的示意图。(a)甲虫前腿的照片。SEM图像放大了铲刚毛与吸盘状结构和圆形空腔。（比例尺：100 μm）（B）脱模的DIA吸盘的光学图像。（比例尺：500 μm）（c）DIA结构的代表性图像显示其精细图案和柔性。(d)具有高度柔软尖端的潜水甲虫灵感建筑的示意性制造过程。(e)TENG的工作机理基于DIA图形的物理粘附。(f)说明在潮湿环境中DIA结构中引起粘附的力的类型。
图2. TENG的界面信息和物理粘附结构工作原理示意图。(a)不同种类的生物启发架构的SEM图像(i)平坦,(ii)LSP,(iii)MCP,(iv)DIA。(b)各种预载荷下DIA的理论和实验法向粘附强度结果。比较在干燥和水下条件下相对于 （c）Si晶片和（d）Al箔正常粘附的四种生物启发的架构（从左到右：平坦(蓝色)、LSP(青色)、MCP(粉红色)、DIA(红色)）。
图3.附着力和表面粗糙度分析。(a)表面粗糙度轮廓（b）和表面粗糙度值的分析i)平坦，ii)LSP，iii)MSP，iv)DIA。(c)三维有限元模拟验证DIA的变形。(d)初始和压缩条件下，DIA保形附着在粗糙Al表面上的光学图像。(比例尺：500 μm) (e)与DIA电极界面接触后分离过程中电荷转移的图示。(f)使用COMSOL对差距为0.5 mm、表面电荷密度为10 µC m−2的平面结构和(g)DIA的电位分布进行了有限元模拟（FEM）。(h)根据四种生物启发的架构进行电荷转移分析。
图4.通过不同类型架构发电的比较。(a)电压值（b）电流值，和（c）在干燥条件下根据各种预载产生的电荷值。(d)电压值（e）电流值，和（f）根据潮湿条件下的各种预载产生的电荷值。(g) 1000个DIA循环的电压生成重复性。
图5. LED在干燥和潮湿条件下的应用 (a)电路图。(b)物理实验原型与LED应用的连接。(c)在使用DIA-TENG之前，在干燥和潮湿条件下准备DIA表面状况。(d)DIA-TENG通过接触分离过程为连接的“JBNU”和“SKKU”组成的LED供电。
总结
摩擦纳米发电机（TENG）是一种基于静电感应和摩擦电气化原理的纳米发电机，是一种非常有前途的能量收集装置，为解决能源枯竭的挑战提供了巨大的潜力。在这项研究中提出了一种分层仿生结构，旨在通过创建高度可变形的三维（3D）微观结构，通过物理粘附机制增强摩擦电效应。这种三维结构的灵感来自雄性潜水甲虫，其特点是通过在干燥和潮湿环境中与电极表面形成保形接触来增加接触面积和界面的可压缩性。这种结构增强了范德华力，并在界面处产生了多种物理附着力，导致了显著的电荷转移。与平面以及各种3D仿生结构（如线形柱和蘑菇状结构）相比，潜水甲虫启发的结构表现出最高的摩擦电性能，在干燥条件下以16 N的力产生电压（~42 V）和电流（~1008 nA）。这项研究的结果提供了一个新的视角，表明摩擦电可以通过物理粘合结构的战略设计有效地产生，而不是依赖于无结构设计或化学粘合剂的传统TENG。
编辑：荔浦 | 审核： 木小何
