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中科院力学所苏业旺团队《Nano Energy》：用于液滴机械能收集的摩擦压电复合纳米发电机研究

时间：2022-12-14 来源： 浏览：

中科院力学所苏业旺团队《Nano Energy》：用于液滴机械能收集的摩擦压电复合纳米发电机研究

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#液滴机械能收集 2 个
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随着社会的快速发展，人们对能源的需求越来越高。由于化石能源日益枯竭，开发和利用可再生能源变得愈加紧迫。水能作为最丰富的可再生能源之一，在能源供给上发挥着不可或缺的作用，目前最主要的途径是建立在河流上的水电站通过电磁发电机将水的势能转换为电能。除了含水量巨大的河流之外，水能还包括数量众多体积微小的水滴。如果能对水滴能充分利用，对可再生能源是一个有力的补充。
2012 年研究者首次提出了基于摩擦起电和静电感应的摩擦纳米发电机（ TENG ）。 TENG 由于易于制造和材料选择广泛在微纳能源领域显示出了巨大的应用前景。 TENG 不仅可以用于收集固固接触中的机械能，还可以用于收集液固接触中的机械能。 2014 年首次出现了基于液固 TENG 的水滴发电机，为有效收集水滴能量开辟了新路径。需要说明的是，这类传统的水滴发电机的电极全部位于介电层的下方。 2020 年受晶体管的启发，人们提出了新式的水滴发电机设计，其在介电层的上方加了顶电极。通过将传统的界面效应转化为理想的体效应，新式水滴发电机的信号与传统的相比有了很大的提升。然而这些水滴发电机并没有充分收集水滴的机械能，具体来说，它们收集了水滴液固接触的机械能，但没有收集基底的变形能。

近日，中科院力学所苏业旺研究员团队与中科院北京纳米能源与系统研究所杨亚研究员团队合作，提出了新的设计策略：通过同时收集水滴液固接触的机械能和基底的变形能来提高水滴发电机的电流（如图 1 所示）。根据该策略，制备了水滴复合纳米发电机（ TPiHNG ）。通过实验对比，选择了电学响应信号更优的悬臂梁结构作为 TPiHNG 的结构。利用有限元分析，确定了压电材料的安装方向。相对于单独的 TENG ， TPiHNG 的电流有了明显的增大（如图 2 所示）。通过调整水滴的滴落位置来调控 PiENG 与 TENG 的响应时间差（如图 3 所示）。研究了不同变量对 TENG 、 PiENG 、 TPiHNG 的电流以及 PiENG 与 TENG 的响应时间差的影响。这项工作为更有效地收集水滴能量提供了新的路径。
该工作近期发表在国际权威期刊 Nano Energy （ https:// doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107992 ）。论文第一作者是在读博士生张懋熠，中科院力学所苏业旺研究员和中科院北京纳米能源与系统研究所杨亚研究员为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金委、中国科学院从 0 到 1 原始创新计划和中国科学院交叉学科创新团队等项目的支持。
图 1 TPiHNG 的设计和结构。（ a ） TPiHNG 的设计策略。（ b ） TPiHNG 的结构图。（ c ）两种设计结构。两种结构下（ d ） PiENG 和（ e ） TENG 的电流对比。
图 2 TPiHNG 的电学性能。（ a ） TENG 、（ b ） PiENG 和（ c ） TPiHNG 的电流。（ d ） TENG 、（ e ） PiENG 和（ f ） TPiHNG 的单个电流波形。（ g ） TENG 、（ h ） PiENG 和（ i ） TPiHNG 的电流功率图。
图 3 PiENG 与 TENG 的响应时间差的影响和水滴撞击位置对 TPiHNG 电学性能的影响。（ a ） PiENG 与 TENG 的响应时间差对 TPiHNG 电流波形的影响。（ b ）水滴撞击位置对（ c ） TENG 、 PiENG 、 TPiHNG 的电流和（ d ） PiENG 与 TENG 的响应时间差的影响。
本文通讯作者苏业旺研究员于 2015 年从美国西北大学回到中科院力学所任职至今，一直致力于 柔性结构与器件力学 研究。入选 国家级青年人才计划 和 中科院 BR 计划 ；担任 中科院创新交叉团队负责人 ；获得 2017 年 中国力学自然科学二等奖 （ 2/3 ）；以 第一或通讯作者（含共同） 身份发表 JMPS （ 3 篇）、 IJSS （ 5 篇） PNAS 、 Nature Com. （ 3 篇）、 Adv. Mat. 、 Adv. Func. Mat. （ 4 篇）、 ACS Nano （ 3 篇）、 Nano Energy （ 3 篇）、 Small 等 SCI 论文 52 篇；撰写英文书章 2 章；申请 发明专利 30 项 ， 已授权 13 项 ，提交国际专利 PCT 申请 2 项，研制的柔性传感器应用于火星工程 ；担任复合材料国际权威期刊 Composite Structures 编委； 主持 了基金委面上项目、 中科院 从 0 到 1 原始创新项目 、 北京市科委 重大专项处怀柔科学城成果落地专项 、 研究成果在航天及医疗企业的应用项目 等多项课题。苏业旺研究员课题组现诚招力学、机械、材料和电子等专业背景的博士后和长期合作岗位 ( 助理 / 副研究员 / 研究员 ) ，有意者请将个人简历（ pdf ）发送至苏业旺研究员邮箱 yewangsu@imech.ac.cn ，邮件标题请注明 “ 意向岗位 + 姓名 + 毕业学校 ” 。

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107992

相关进展

中科院化学所宋延林研究员课题组 Small：液滴弹簧非胡克弹性行为提高液滴纳米摩擦发电机效率

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