Nature Communication: 木基摩擦纳米发电机及其应用前景

2020-07-29 01:30:25 布鲁克电子显微纳米分析仪器部

布鲁克文章推荐第42期

Bruker Journal Club

布鲁克纳米表面仪器部魏岳腾博士

在节能环保的发展趋势下，摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator, TENG）的相关研究得到越来越多的关注。它利用生活中广泛存在的摩擦现象，通过设计微/纳米结构的摩擦表面将机械能高效率地转化为电能，在可穿戴智能设备、物联网、自驱动设备等方面具有广阔的应用前景。之前的文章中介绍过如何提高摩擦纳米发电机在湿度环境中的持久性和稳定性。本文将介绍一种新型的摩擦纳米发电机——木基摩擦纳米发电机。通常的摩擦纳米发电机往往采用不可降解的高分子材料制备，会有潜在的环境问题。因此本文选择了环保且低成本的木材作为原料，制备了木基摩擦纳米发电机。这个工作是王中林老师课题组发表的。

如图1a所示，本文采用天然木材，经过简单的化学处理去除部分木质素（lignin）和半纤维素（hemicellulose），获得力学性能优异的改性材料。进一步通过在粗糙模板上对改性材料进行热压成型，获得新型木基材料。再作为介电材料与电极材料结合制备成木基摩擦纳米发电机。该发电机具有良好的转化效率和寿命，具有广泛的应用前景。比如将制备的纳米发电机做成阵列安装在乒乓球台台面下，可以检测乒乓球落点，判断是否出界。对落点数据进行分析可以获得落点的统计分布，使得乒乓球台具有接入物联网的可能（如图1b所示）。

作为介电材料，样品的表面形貌也会对介电常数造成一定影响。本文尝试了用不同目数的砂纸调控热压后木基材料，通过Contour GTK白光干涉仪准确测量表面三维形貌。如果这个工作有后续研究的话，定量研究表面形貌对介电常数的影响也许是其中一项内容。表面形貌可以用粗糙度、偏斜度、承载曲线或孔隙率等参数定量描述。

作为一种摩擦纳米发电机，材料的摩擦磨损特性直接关系到器件的性能和寿命。因此本文在UMT-TriboLab平台上，测试了改性木基材料的摩擦磨损特性，并与天然木材做对比。摩擦系数显示改性木材的摩擦系数稳定在0.15左右，而天然木材的摩擦系数则从0.2左右持续增加。通过白光干涉仪获得的磨痕三维形貌图也显示了天然木材较深的磨痕。结构说明改性木材的减摩耐磨性能比天然木材要好，制备的器件也有了长期稳定的物质基础。

本文对木基摩擦纳米发电机进行了系统的电学性能测试（结果未在本文显示），结果表明该发电机比天然木材制备的发电机增加约70%的输出。为了验证木基摩擦纳米发电机的应用可行性，本文还在乒乓球台上安装了该发电机阵列。如图4所示，通过研究乒乓球速度与输出电压的关系（图4e）可以从发电机的输出电压获得乒乓球速度。通过对落点附近的纳米发电机阵列进行统计分析，可以获得乒乓球的落点位置。当乒乓球的落点在球台的边缘时，还可以通过该阵列自动判断球是否出界。