北京大学张敏副研究员《AFM》：柔性液基连续直流摩擦伏特发电机可实现自供电的多模式传感！

随着物联网和可穿戴电子设备的发展，人们迫切需要从环境中收集可持续和可再生能源。水作为占地面积高达71%的丰富资源，其动能已可通过水力发电机、压电纳米发电机（PENGs）、摩擦纳米发电机（TENGs）等收集，但这些方法一般只能提供交流电（AC）。最近研究发现，摩擦伏特发电机可以直接采集和转换液体的机械能用于直流发电。然而，由于界面的摩擦与磨损，当前的刚性接触分离式摩擦伏特直流发电机面临着难以同时保持高电流密度和长寿命的挑战。

北京大学张敏副教授等人报道了一种具有Pt/H2O/半导体氧化铟镓锌（IGZO）结构的柔性液基直流发电机（FLG），其峰值短路电流密度高达2.3 µA cm-2，峰值开路电压高达620 mV，功率密度高达0.1 µW cm-2。作者通过密度泛函理论研究了不同液-固界面的特性差异，表明键的形成、固-液界面上电荷转移引起的偶极电场以及内置电场负责电子-空穴对的产生和分离，从而形成连续的直流。即使经过5×104次的摇晃循环或在环境条件下暴露30天，FLG也能保持优异的稳定性。除了给电容器充电或驱动LED，FLG还被进一步证明可用于自供电的多功能传感，实现压力、位置-姿势或温度检测。这种设计为下一代自供电的可穿戴电子设备提供了潜在的解决方案。该研究以题为“Flexible Liquid-Based Continuous Direct-Current Tribovoltaic Generators Enable Self-Powered Multi-Modal Sensing”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。

【FLG的制备与性能】

作者设计了一种具有优异稳定性和高输出性的柔性液基直流发电机（FLG）。该FLG采用了具有良好薄膜均匀性、机械柔性和成熟工艺的铟镓锌氧化物（IGZO）薄膜作为金属-液体-半导体夹层结构中的半导体层，并采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为封装层。只要简单地摇动或倾斜FLG，就可实现9.2 μA的高短路电流，2.3 μA cm -2的电流密度，以及620 mV的开路电压。这种高短路电流和高达400 nW的输出功率与以前报道的基于液滴的直流摩擦发电机相比有明显的优势。即使在摇晃5×10 4次或暴露在空气中30天后，其性能也能保持稳定。因此，该FLG出色的稳定性使其有可能在日常生活中持续收集机械能。

图1 FLG的制造工艺流程

图2 FLG的性能表征

【FLG的机理与影响因素】

作者深入研究了FLG的直流发电机理及其影响因素。结果表明，固体-液体滑动界面的动态摩擦可以激发电子-空穴对，随后在开路条件下产生非平衡表面电位差，在短路条件下产生直接电流。DFT计算显示，键的形成、电荷转移引起的存在于液体分子和固体表面之间的偶极电场以及内置电场都与电子-空穴对的产生和分离形成连续的直流电有关。为了提高FLG的性能，作者研究了液体体积、温度的影响。结果表明，含有300 μl水的FLG可以平衡有效接触面积和相对运动，从而产生最佳性能。随着温度的变化，该器件的电压从25℃时的480 mV缓慢增加到90℃时的630 mV，这表明增加温度可以促进FLG中液体分子的热力学运动，从而激发更多的电子-空穴对。这些结果不仅显示了FLG界面上的各种物理效应之间的耦合，而且还显示了这些器件作为自供电温度传感器的应用潜力。

图3 FLG的机理分析

【FLG的应用演示】

为了演示FLG作为能源的应用，作者通过简单的串联和并联多个FLG而不使用整流桥，扩大了FLG的输出。串联的FLG可以在100秒内将10 μF的电容器分别充电到370、738和1068 mV，而三个并联的FLG可以将电流提高至12 μA。因此，六个串联的FLG可以将电压提高到2.5 V以上，从而直接点亮LED。由于FLG可以产生稳定、连续和实时的直流信号，这不仅可作为自供电温度传感器，而且能够作为感应压力和位置-姿势的多模式传感器。结果表明，FLG具有将机械/振动能量转化为电能的潜力，这使得它能够对姿势、手势、温度和压力进行丰富和多模式的感应，从而在可穿戴健康监测和机器人姿势方面有很好的应用前景。

图4 FLG的应用演示

总结：作者报道了一种柔性液基连续直流摩擦伏特发电机，可以产生高达620 mV的电压和高达9.2 µA的电流。其固液滑动界面的动态摩擦可以激发电子-空穴对，随后在开路条件下产生非平衡表面电位差，从而在短路条件下产生直接电流。FLG在30天或5×104次摇动之后仍展现出卓越的稳定性，并可以作为一个多功能的自供电传感器。该工作为设计柔性液基连续直流发电机提供了一种有效的方法，为进一步发展物联网时代的可穿戴电子设备提供了新的机会。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202209484

来源：高分子科学前沿

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