微米和纳米科技材料

新型摩擦电纳米发电机:可利用人体运动实现无线供电!

导读

近日,美国克莱姆森大学的科研人员开发出摩擦电纳米发电机的无线版本,也称为“W-TENG”,离利用摩擦电这一绿色能源进行无线供电的目标又更近了一步。

背景

摩擦起电是我们日常生活中经常遇到的一种物理现象,无论是梳头、穿衣还是走路、开车时都时常会遇到。但是,摩擦电很难被收集和利用,因此它的价值往往被人们所忽视。

不过,去年笔者曾介绍过中国科学院、重庆大学、美国佐治亚理工学院、台湾科技大学等科研机构的科研人员组成的团队,在中华民族传统的剪纸艺术启发下,利用了摩擦电,开发出一种轻量的、剪纸式样装置,采集来自人体运动的能量。

新型摩擦电纳米发电机:可利用人体运动实现无线供电!

(图片来源:美国化学会)

其中的核心技术就是:摩擦电纳米发电机(TENG)。它能够采集我们四周的机械能为电子设备充电。举个例子,未来我们可以在鞋子中安装摩擦电发电机,只要正常走路,就可以为自己随身携带的手机充电。

接下来,简单介绍一下TENG 的发电原理:在TENG 的内部电路中,由于摩擦起电效应,两个摩擦电极性不同的材料薄层之间会发生电荷转移,从而在二者之间形成电势差;在TENG 的外部电路中,电子在电势差驱动下,在分别粘贴在摩擦电材料层背面的两个电极之间或者电极与地之间流动,从而来平衡这个电势差。

然而,还是有不少人怀疑摩擦电纳米发电机的可行性和实用性。之后,笔者在《可穿戴设备通过人体运动供电,可行吗?》文章中,介绍了韩国三星综合技术研究院的一项最研究。该研究证明:摩擦电纳米发电机能够满足小型可穿戴设备和便携式电子设备的能耗需求。

新型摩擦电纳米发电机:可利用人体运动实现无线供电!

(图片来源:参考资料【2】)

创新

近日,美国克莱姆森大学纳米材料研究所(CNI)的研究人员离使用摩擦电(一种绿色能源)为世界无线供电的目标又更近了一步。

新型摩擦电纳米发电机:可利用人体运动实现无线供电!

(图片来源:Ramakrishna Podila / 克莱姆森大学纳米材料研究所 )

在2017年3月,CNI 物理学家小组发明了超简单的摩擦电纳米发电机,简称“U-TENG”,是一种由塑料和胶带简单制成的小型装置。它可以通过人体运动和振动产生电力。当这两种材料结合到一起时,你只需拍拍手或者跺跺脚,就可以产生出被接有电线的外部电路检测到的电压。电能通过电路,存储在电容或者电池中,在需要时再使用。

9个月之后,在一篇发表于《先进能源材料》(Advanced Energy Materials)的论文中,研究人员展示了一种TENG的无线版本,也称为“W-TENG”,从而极大地拓展了摩擦电纳米发电机技术的应用范围。

研究团队再一次由Mallineni 领导,正在通过克莱姆森大学研究基金会为W-TENG申请专利。克莱姆森大学纳米材料研究所主任 Apparao Rao 教授,也正在与工业伙伴洽谈,开始将W-TENG 集成到能源应用中。

技术

W-TENG 和 U-TENG 在同样的前提下设计,使用了不亲近电子的材料,所以这些材料相互接触时会产生电压。

在W-TENG 中,塑料与一种由“石墨烯”和生物可降解聚合物“聚乳酸”制成的纤维多部分发生交换。石墨烯,是一种只有单个原子层厚度的二维材料,也可以称为“单原子层石墨”,而石墨正是我们常用的铅笔芯的主要成分。聚乳酸,就其本身而言,很适合用于分离正电荷和负电荷,但是不太适合导电,这也就是为什么研究人员要用石墨烯配合它。U-TENG 捕获电子的材料:Kapton胶带,被特氟龙(Teflon)取代,这种成分经常用于不粘锅的涂层。

克莱姆森大学物理学系助理教授、论文通讯作者 Ramakrishna Podila 表示:“我们使用特氟龙,是因为它含有许多含氟基团,这些含氟基团都是高度电负性的。这是一个进行比邻放置和创造高电压的好办法。”

为了获取石墨烯,研究人员将它的母体成分:石墨,暴露于高频声波中。然后,这种声波就像一把刀,将石墨一层一层地切成单层石墨烯,如同一幅扑克牌一样。这种工艺称为“声处理”(sonication),CNI 正是采用这种方法扩大石墨烯产量,以满足W-TENG 和其他纳米材料的研发需求。

新型摩擦电纳米发电机:可利用人体运动实现无线供电!

(图片来源:克莱姆森大学)

在将石墨烯-聚乳酸纤维结合到一起之后,研究人员利用了增材制造,也被称为“3D打印”,将纤维放进3D打印机,然后生产出W-TENG。

新型摩擦电纳米发电机:可利用人体运动实现无线供电!

(图片来源:参考资料【3】)

然而,在工业生产之前,Podila 表示还需要进行更多的研究,用环境友好的电负性材料取代特氟龙。对于重新设计来说,有一个候选材料就是MXene,它是一种二维无机化合物,具有过渡金属元素的导电性和酒精的亲水特性。

CNI 的另外一位研究生 Yongchang Dong 领导了对于MXene-TENG 的研究,研究成果于2017年11月发表于《纳米能源》(Nano Energy)杂志。CNI 的Herbert Behlow 和 Sriparna Bhattacharya 也对这些研究作出了贡献。

价值

最终结果是生成了一种能够产生高达3000伏电压的装置,这个电压足以为25个标准电气插头供电,或者为超大型智能彩色窗户或者液晶显示器供电。因为电压如此高,所以W-TENG 会在自身周围产生出一个电场,它可以被无线感知。它的电能也可以被无线地存储到电容和电池中。

论文的首作者、物理和天文学专业的博士生 Sai Sunil Mallineni 表示:“你不仅能够从中获取能量,而且你还可以将电场当作一个遥控器。例如,你可以开发W-TENG,并使用它的电场作为‘开关’,打开你的汽车库门,或者激活安全系统,这些都无需电池,是无源且无线的。”

W-TENG 的无线应用很丰富,可以延伸到资源受限的环境中,例如外天空、海洋中甚至是战场。Podila 表示,例如他们团队的发明肯定可以应用于慈善事业。

Podila 说:“一些发展中国家需要大量的能源,尽管我们在这样的环境中,无法访问电池或者电源。在这些区域中,W-TENG 是一种更加清洁的能源产生方式。”

未来

W-TENG 会对可替代、可再生的能源领域产生影响吗?Rao 表示这将取决于经济。Rao 表示:“作为科学家,我们目前只能做这么多,W-TENG 是否成功还要看经济状况。”

关键字

摩擦电、纳米、能源

参考资料

【1】https://newsstand.clemson.edu/mediarelations/clemson-researchers-blaze-new-ground-in-wireless-energy-generation-for-future-electronic-gadgets/

【2】Kyung-Eun Byun, Min-Hyun Lee, Yeonchoo Cho, Seung-Geol Nam, Hyeon-Jin Shin, Seongjun Park, “Potential role of motion for enhancing maximum output energy of triboelectric nanogenerator,” APL Materials May, 10, 2017 (DOI: 10.1063/1.4979955)

【3】Sai Sunil Kumar Mallineni, Yongchang Dong, Herbert Behlow, Apparao M. Rao, Ramakrishna Podila. A Wireless Triboelectric Nanogenerator. Advanced Energy Materials, 2017; 1702736 DOI: 10.1002/aenm.201702736

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