河南大學Nano Energy: 用于摩擦納米發電機輸出能量管理和自驅動紫外光檢測的空氣放電式開關

【引言】

隨著全球能源的快速消耗，開發新的能源受到了越來越多研究者的關注。近年來，摩擦納米發電機(TENG)作為一項新能源技術，能夠從環境和人體中收獲機械能并將之轉化為電能。目前，摩擦納米發電機已經開發了多種工作模式，實現了從各類機械運動中收獲機械能的目的。此外，摩擦納米發電機已經應用于各種自供電的傳感器。如紫外光傳感器、氣體傳感器、化學傳感器、聲音傳感器、速度傳感器等。但傳統的摩擦納米發電機由于其巨大的固有阻抗以及高電壓低電流的特點，給實際應用帶來了挑戰。開關的使用已被證明是解決這一問題的有效策略。到目前為止，開關已經應用于各種模式的摩擦納米發電機，實現了輸出性能的管理和瞬時輸出功率的極大增強。然而，目前開關的觸發模式多為外界機械觸發或電路觸發，必須精心設計，以配合摩擦納米發電機的運動和輸出，這使得摩擦納米發電機的制備更加復雜。因此設計一種無需外部機械觸發或電路觸發的自驅動開關，對于發展低成本、高效率的摩擦納米發電機具有重要的意義。

【成果簡介】

近日，河南大學特種功能材料教育部重點實驗室程綱博士在Nano Energy上發表了題為“The Triboelectric Nanogenerator with a Self-Powered Air Discharge Switch for Output Power Management and UV Light Photodetector”的文章。報道了一種自驅動空氣放電開關式摩擦納米發電機（TENG-ADS），并將之應用于紫外光檢測。該空氣放電式開關由兩個放電電極組成，只有當摩擦納米發電機的電壓高到足以引起空氣放電時，開關才會閉合，并產生瞬時脈沖輸出。通過調節兩個放電電極之間的距離（d）可以改變開關的工作模式：弧光放電和電暈放電。在電弧放電模式下，摩擦納米發電機的輸出性能得到了極大地提高。此外，在一定的紫外光強度范圍內，紫外光的照射可以改變開關的工作模式和TENG-ADS的輸出電流。以此為基礎，本篇工作研制了一種自驅動的紫外光檢測器。其光電開關比達到了18.6，最低可檢測的紫外光強度為26.2 μW /cm²。該項工作的第一作者為河南大學程綱博士，河南大學杜祖亮教授、佐治亞理工學院王中林院士是本文的共同通訊作者。

【圖文導讀】

圖1. TENG-ADS的工作原理示意圖

(a-d) 空氣放電開關在電弧放電模式下的工作原理示意圖；

(e-h) 空氣放電開關在電暈放電模式下的工作原理示意圖。

圖2. 不同d下，TENG-ADS的輸出電壓、電流曲線

(a) d=0時，TENG-ADS的輸出電壓、電流曲線；

(b) d=0.03 mm時，TENG-ADS的輸出電壓、電流曲線；

(c) d=0.03 mm時，TENG-ADS的輸出電壓、電流曲線的放大圖；

(d) d=0.2 mm時，TENG-ADS的輸出電壓、電流曲線；

(e) d=0.6 mm時，TENG-ADS的輸出電壓、電流曲線；

(f) d=0.72 mm時，TENG-ADS的輸出電壓、電流曲線；

(g) d=1.10 mm時，TENG-ADS的輸出電壓、電流曲線；

(h) d=5 mm時，TENG-ADS的輸出電壓、電流曲線；

(i) d=20 mm時，TENG-ADS的輸出電壓、電流曲線。

圖3. TENG-ADS的輸出性能和d的關系

(a) TENG-ADS的輸出電流峰值和d的關系；

(b) TENG-ADS的輸出功率峰值和d的關系；

(c) TENG-ADS一個周期內的輸出能量和d的關系；

(d) TENG-ADS的轉移電荷量和d的關系。

圖4. TENG-ADS的輸出性能和負載的關系

(a) d =0.20 mm時，TENG-ADS在不同負載下的輸出電流曲線；

(b) 當d分別為0.20 mm 、5 mm、0時，TENG-ADS的輸出電流峰值和負載的關系；

(c) 當d分別為0.20 mm 、5 mm、0時，TENG-ADS的輸出電壓峰值和負載的關系；

(d) 當d分別為0.20 mm 、5 mm、0時，TENG-ADS的輸出功率峰值和負載的關系；

(e) 當d分別為0.20 mm 、5 mm、0時，TENG-ADS一個周期內的輸出能量和負載的關系。

圖5. TENG-ADS作為自驅動紫外光檢測器的性能測試

(a) 當紫外光被開啟或關閉多個周期時，TENG-ADS的輸出電流曲線；

(b) 紫外光照射下，空氣放電開關的工作模式從電弧放電轉變為電暈放電的原理示意圖；

(c) 光電開關比和d的關系；

(d) 光電開關比和光照強度的關系。

【小結】

本文研制了一種自驅動空氣放電式開關。該開關只有當摩擦納米發電機的輸出電壓高到足以引起空氣放電時才會閉合，并產生電學輸出。隨著兩個放電電極之間距離的增加，開關從電弧放電模式轉變為電暈放電模式。在電弧放電模式下，TENG-ADS的電壓、電流、功率、能量等電輸出參數隨d的增大而增大；而在電暈放電模式下，這些參數隨d的增大而減小。當外部負載電阻小于2 MΩ時，通過使用電弧放電模式的開關，摩擦納米發電機的輸出功率峰值和一個周期內的輸出能量分別提高了1600和31倍。此外，由于紫外光的照射可以改變空氣放電開關的工作模式，所以據此研制出了一種自驅動的紫外光檢測器。本篇工作為摩擦納米發電機的輸出能量管理提供了新的思路，并在自供電傳感器方面具有良好的應用前景。

文獻鏈接： Managing and Maximizing the Output Power of a Triboelectric Nanogenerator by Controlled Tip-electrode Air-Discharging and Application for UV Sensing(Nano Energy, 2017, doi: 10.1016/j.nanoen.2017.11.062).

作者簡介

程綱，男，1978年生，博士，教授，博士生導師，國家優秀青年基金獲得者，河南省高校創新團隊帶頭人，河南省科技創新杰出青年，河南省學術技術帶頭人。2003年起，在河南大學特種功能材料教育部重點實驗室工作，2013-2016年在佐治亞理工學院做訪問學者，從事納米結構與光電器件的研究。在ACS Nano、Adv. Mater.、Nano Energy、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Angew. Chem.、Appl. Phys. Lett.等期刊發表SCI論文40余篇。主持國家自然科學基金3項，獲得河南省科技進步二等獎2項。主要研究方向有：納米結構與光電器件，納米發電機，自驅動傳感器等。Email：chenggang129@126.com; chenggang@henu.edu.cn

本文由河南大學程綱教授課題組提供，在此表示感謝。

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