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超高摩擦電荷密度刷新摩擦納米發(fā)電機性能紀(jì)錄

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超高摩擦電荷密度刷新摩擦納米發(fā)電機性能紀(jì)錄

摘要: 　　人們一直致力于學(xué)習(xí)在維持現(xiàn)代社會巨大能源消耗的同時最小化環(huán)境消耗。從可再生的自然源（如太陽能、風(fēng)能和生物質(zhì)能）收集能量，已經(jīng)被證實是應(yīng)對能源危機的可持續(xù)可供選擇的方向，而且在化石燃料快速消耗的今天 ...

　　人們一直致力于學(xué)習(xí)在維持現(xiàn)代社會巨大能源消耗的同時最小化環(huán)境消耗。從可再生的自然源（如太陽能、風(fēng)能和生物質(zhì)能）收集能量，已經(jīng)被證實是應(yīng)對能源危機的可持續(xù)可供選擇的方向，而且在化石燃料快速消耗的今天扮演著越來越重要的角色。最近發(fā)明的摩擦納米發(fā)電機具有質(zhì)量輕、價格低廉，甚至在低工作頻率下仍然高效等先天優(yōu)勢，已經(jīng)被證實是一個具有深遠(yuǎn)意義的解決方案。通過收集環(huán)境中的機械能——日常生活中普遍存在卻被浪費掉的能量，摩擦納米發(fā)電機在自驅(qū)動傳感網(wǎng)絡(luò)和大規(guī)模可再生藍(lán)色能源領(lǐng)域均有很好的應(yīng)用前景。
　　作為一種能量收集器件，摩擦納米發(fā)電機的應(yīng)用及商業(yè)化強烈地依賴于它的功率密度，而功率密度又與摩擦電荷密度成二次方關(guān)系。因此，人們一直致力于通過改善材料、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和表面修飾等方法來提高摩擦電荷的密度，但此前所有學(xué)習(xí)中的可利用摩擦電荷密度都受到空氣擊穿現(xiàn)象的困擾。
　　近日，在中國科學(xué)院外籍院士、中科院北京納米能源與系統(tǒng)學(xué)習(xí)所所長、佐治亞理工學(xué)院校董教授王中林的指導(dǎo)下，王杰、吳昌盛和戴葉婧等首次利用真空環(huán)境和鐵電材料將可輸出摩擦電荷密度提高了一個數(shù)量級、最大輸出功率密度提高了兩個數(shù)量級�；诔Ｒ�(guī)的由銅薄膜和聚四氟乙烯薄膜組成的摩擦納米發(fā)電機，科研人員先是利用軟接觸和碎片結(jié)構(gòu)使摩擦表面得到更為有效的利用，將空氣中的摩擦電荷密度從50 μC m-2增大到120 μC m-2。接著，利用高真空環(huán)境將空氣擊穿的影響降至最低，把摩擦電荷密度進一步提升到660 μC m-2，創(chuàng)造新的歷史紀(jì)錄。最后，學(xué)習(xí)人員在聚四氟乙烯薄膜下引入鐵電材料，將摩擦起電的表面極化和鐵電材料的磁滯介電極化進行耦合，使得摩擦電荷密度進一步躍升到1003 μC m-2。這把即使是在普遍低速運動下（2 Hz）的傳統(tǒng)摩擦納米發(fā)電機的最大輸出功率密度提高了兩個數(shù)量級，從0.75 W m-2提高到了50 W m-2。
　　這些學(xué)習(xí)結(jié)果極大地提高了基于摩擦生電的納米發(fā)電機（TENG）的輸出能量，不僅刷新了TENG的性能記錄，同時還建立了新的優(yōu)化模式。學(xué)習(xí)所用到的高真空環(huán)境不僅能保證TENG的更好性能，同時排除了由于自然的灰塵和空氣水分積累帶來的性能下降。這些都能夠顯著提高基于TENG的自供電可穿戴電子器件和藍(lán)色能源網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景。該工作也提供了對于制約TENG性能的因素的新見解，并有利于揭示長期懸而未決的摩擦起電機理以及它的動力學(xué)過程。
　　相關(guān)學(xué)習(xí)成果近日發(fā)表在自然-通訊（Nature Communication）雜志上（DOI: 10.1038/s41467-017-00131-4）。



　　輸出電荷密度對比圖

超高摩擦電荷密度刷新摩擦納米發(fā)電機性能紀(jì)錄  |  責(zé)任編輯：蟲子
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