王中林、陈翔宇《自然·通讯》：基于液滴和液膜的摩擦电纳米发电机

来源：高分子科学前沿

自2012年王中林课题组发明了摩擦纳米发电机以来，摩擦发电技术成为一种能源收集的主流技术。迄今为止，摩擦纳米发电机已经实现了在各种界面收集摩擦运动能量，例如通过固-固界面摩擦实现自驱动传感和多种形式的机械能的收集等，通过固-液界面摩擦实现波浪能收集和雨滴发电等。然而，基于液-液界面接触分离实现能量收集的研究却几乎没有报道。而背后的主要原因可以归结为，液-液界面的摩擦纳米发电机有两个很难克服的瓶颈。首先是必须实现液体与液体之间流畅的分离运动。由于液体分子间相对作用力较弱，加上液体具有流动性，当两种液体接触以后很容易相互融合，而很难实现有效分离。如果选用油和水之类的不相融液体可以实现静置的分层，但分离过程却不够顺畅，液体的选材种类也受到了限制。另一方面，分离后的液-液界面，通常很难带有明显的两种相反的电荷，这与固体间接触分离不同。因此，如何实现连续的电荷输出也成了一个必须要克服的困难。针对这一问题，中科院北京纳米能源与系统研究所陈翔宇研究员和王中林院士领导研究团队，开展了利用可渗透的悬浮液膜作为输出电极的摩擦纳米发电机的研究。2019年5月22日，他们在Nature Communications 上发表了题为 “Power generation from the interaction of a liquiddroplet and a liquid membrane”的论文，其中陈翔宇研究员和王中林院士为共同通讯作者，聂锦辉博士为第一作者。

该论文报道了一种基于液滴和液膜的摩擦纳米发电机，实现了利用液-液界面的接触分离来发电的方法。研究创新点在利用高弹性的导电液体膜作为一种可渗透电极，实现了非常顺畅的液-液分离。这种分离的方法可以应用于各种相融与不相融的液体，同时也可以收集运动固体带有的机械能量。对于常规体积的液滴和固体而言，这种可渗透的电极几乎不会改变它们的运动速度和轨迹，而液膜的自修复特性可以在连续的穿越过程中保证其自身的稳定性。研究者通过调节多种表面活性剂和助剂配置了液膜液体，使液膜在持续水流冲击或者持续液滴穿透的情况下，寿命保持在5分钟以上。之后，利用一个蓄水罐结构来补充液膜的消耗损失，可以让这种发电机在持续工作数个小时以上。

研究者利用悬浮的液体薄膜开发了两种模式进行电能收集：接地模式和预充电模式。在接地模式下，液膜可以有效收集穿过液膜物体的表面电荷，包括液滴、水流以及固态物体。因此，这种结构的液膜也展示出作为一种可穿透的静电传感器或者电荷收集器的应用。单层液膜对物体表面静电荷的收集率可以达到95%以上，而双层叠加的液膜可以几乎收集100%物体表面的静电荷。但是，如果运动的液滴或者物体完全不带电，接地模式的液膜就不能实现能量输出。因此，研究者又进一步研究了预充电模式的液膜。该模式是在与接地端相连的液膜周围引入一张带强静电的高分子膜（高分子膜的表面电荷来自于预先的摩擦起电），使与地相连的液膜上感应出正电荷。每一滴穿过液膜的液滴都会从液膜上带走一定量的电荷，而同时新的电荷又会从接地端输运回液膜表面，这个过程就可以实现连续的位移电流输出，完成对机械能的收集。预充电模式下，一滴完全不带电的40微升的水滴穿过一层液膜，可以产生4伏以上的开路电压和1~2纳库的转移电荷量。通过叠加多层膜结构，它的总输出能量可以得到成倍的提升。研究者在论文的附件材料里详细解析和计算了液滴穿过液膜的过程中受力的变化、机械能的损失以及静电能量的生成机理。同时，他们还研究了液滴穿过液膜不同位置时，动能和输出电能的变化过程。

该液-液摩擦电纳米发电机拓展了纳米发电领域的一个缺失的方向，进一步完善了其应用领域。同时，液膜材料也是首次被应用于能量收集技术，这对于研究微液膜动力学等方向的研究者而言也是一个新的尝试。与传统的基于固液界面的摩擦纳米发电机相比，这种液-液发电的方式带来的摩擦阻力几乎可以忽略，既能减少机械能量的损耗又可以在不改变物体运动轨迹的情况下获得电能，可以用于许多特殊的目标，包括雨滴、灌溉系统、微流体输运系统和微小颗粒的收集等等。

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-019-10232-x