《自然—通讯》：摩擦纳米发电机输出功率实现飞跃

王兴

作者：王中林等 来源：《自然—通讯》

发布时间：2014-3-12 10:30:30

摩擦纳米发电机输出功率实现飞跃

近日，中科院北京纳米能源与系统研究所和美国佐治亚理工学院联合研究小组设计和制作出大功率二维平面摩擦发电机，并成功展示了其通过收集环境中的机械能来实时驱动常规电子产品的能力。相关成果日前发表于《自然—通讯》期刊。业内专家认为，这种被称为“回转摩擦发电机”的新型发电装置能将微风、水流，甚至人体运动的动能转化为电能，不但效率高，而且成本低廉。

“该成果展示出大功率纳米发电机能够广泛地应用于收集包括空气流动、水体流动和人体活动在内的多种机械能的可能性，开创了自驱动便携式电子设备的实用化进程。”研究负责人、中国科学院外籍院士、美国佐治亚理工学院教授王中林在接受《中国科学报》记者采访时表示。

由朱光、陈俊等组成的主力团队发现，摩擦纳米发电机的两个工作部件在相互滑动的过程中，电极之间的电荷转移量可以通过材料表面有序图案化得到极大提高，并和图案密度呈准线性关系。科学家设计出两种图案化阵列结构，使摩擦纳米发电机的输出功率实现了质的飞跃。

在第一种结构中，发电机由平面化的圆形定子和转子两部分组成。当相对转动速率为3000转/分钟时，该发电机的能量转化效率为24%。在第二种结构中，图案化网络由一组平行的微型线性阵列组成。当两部件之间的相对滑动速率为10米/秒时，该发电机的平均输出功率高达3瓦。研究人员还通过高分子纳米颗粒润滑处理，进一步降低了摩擦滑动的能量损耗，使能量转化效率接近50%。

“作为直接供电源，它们能够为日常用球形灯泡等电器提供连续的电力。”王中林说。此外，研究人员还进一步开发出了一套完整的小型供电系统。该系统具有降阻抗、整流、储能和稳压等功能，能够提供恒压稳定的直流输出，从而为包括手机在内的多种常用电子产品提供实时电力或为其直接充电。（唐凤）

http://www.nature.com/ncomms/201 ... l/ncomms4426.html#/

王兴

作者：王中林等 来源：《ACS纳米》

发布时间：2014-2-17 16:08:44

研究首次利用摩擦效应高效能声音发电

声波无处不在，如人们所在的各种社交活动场所、机场、建筑工地和交通中都充斥着各种声音。通常情况下，这些声音被认为是污染我们生活环境的噪声，虽然其提供的能量充满我们整个环境，但往往被忽视和浪费掉。若能将这些能量收集并利用，将获得一种崭新的、可持续的能量源。目前，声能采集还不普遍，与其他类型的能量相比（如太阳能和热电能量），声能的功率密度较低，很难被收集和利用。目前采用压电和静电效应实现声能收集的技术，存在能量转换效率低、结构复杂和对材料品质要求高等缺点，并且大多数器件的工作频率较高（从几kHz到MHz），而日常生活中使用的声源则主要是低频成分，使得现有技术和器件未被真正应用。因此，采集声波能量仍然是一个挑战。

2012年，王中林院士领导的中国科学院北京纳米能源与系统研究所和美国佐治亚理工学院研究组首次提出了摩擦电纳米发电机理念，开辟了能源转化和应用的一个新的范畴。摩擦电是一种非常普遍的现象，存在于我们日常生活的各个层面，从一次触摸、到走路、到开车等很多活动都会产生摩擦电。王中林教授领导的研究组通过合理的器件结构设计，使得摩擦起电这一古老的现象展现出原创的和前所未有的应用价值和潜力。两年左右时间，在王中林教授领导下，各种类型的摩擦电纳米发电机不断被研制出来，为人们呈现出一个异彩纷呈的新天地，引起了国内外各界的广泛重视，相关成果发表在Nano Energy、Nano Letter、Advanced Materials、ASC Nano、Energy & Environmental Science等著名期刊上。

最近，在王中林院士的领导下，由杨进博士和陈俊博士等组成的研究小组首次实现了利用摩擦效应的高效能声音发电。他们将镀有金属电极的聚四氟乙烯膜（Teflon）和具有孔洞结构的金属电极膜贴合在一起，构成摩擦电纳米发电机并用于声转换敏感单元。制作的聚四氟乙烯膜轻薄并且具有弹性，在实现对环境声压变化敏感响应的同时，能够与金属电极膜产生不同程度的分离与接触摩擦，造成表面摩擦电荷与感应电荷之间的平衡关系发生变化，从而驱动电子通过外电路发生转移，即形成电流，实现声能到电能的转化。为了提高声能转换效率，研究组从1）聚四氟乙烯膜初始应力及金属电极孔洞面积比，2）声谐振腔结构，3）聚四氟乙烯膜表面纳米线和金属电极膜表面纳米孔修饰等3个方向对器件进了行优化设计。实验结果表明，当声压在70 dB to 110 dB范围时，器件声响应灵敏度达9.54 V Pa-1， 峰值功率密度为60.2 mW m-2，声电转换效率大于50%。声音驱动的摩擦电纳米发电机可以同时点亮20个LED灯。研究组还通过多个不同响应频带的器件阵列制成自供电麦克风，实现了无源、宽频带声音录制；采用多声传感器构建了无源、主动式声源定位系统，可以实时定位声源位置。

该工作发表在最新一期的《ACS纳米》（ASC Nano） (DOI: 10.1021/nn4063616，Publication Date (Web): February 13, 2014)，研究结果在环境声能量高效采集、噪声抑制，以及声传感探测（如航空动力声传感、军事侦查以及个人电子设备）等领域有广泛的应用前景。整个器件的制造工艺无需昂贵原材料和先进制造设备，有利于大规模工业生产和实际应用，且整个器件以柔性聚合物膜为基本结构，易加工；器件的使用寿命长，易与其它加工工艺相融合。（ 潘锋）

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《ACS纳米》发表论文摘要（英文）:

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn4063616