【人物与科研】中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士团队：油-水-固界面接触起电及其在双信号化学传感中的应用

自摩擦纳米发电机（TENG）问世以来，研究人员已经研发出多种摩擦纳米发电机，不仅固体与固体之间的摩擦起电可以被利用，液体与固体之间的接触-分离也能用于构建TENG。近年来，已有多种不同类型的液-固TENG被开发，用于能量收集及生物化学传感等领域。然而，目前已报道的液-固TENG仅研究了其在单一液相体系中的接触起电，而TENG在“油/水”多相体系中的接触起电过程尚未被研究。“油/水”界面问题是化学、生物及工程等领域的重要问题，已有的研究表明，“油/水”界面往往会自发带电，那么“油/水”界面电荷如何影响TENG的接触起电过程？近日，美国佐治亚理工学院与中科院北京纳米能源与系统研究所的王中林院士课题组研制了一种单电极模式的液-固TENG，系统研究了其在油-水-固界面接触起电的过程，并展示了其在自驱动多巴胺双信号检测方面的应用前景（Adv. Mater. 2019, 1902793）。姜鹏博士和研究生张磊为本文的共同第一作者，通讯作者是王中林院士。

王中林院士，中科院北京纳米能源与系统研究所所长和首席科学家、佐治亚理工学院终身校董事讲席教授、Hightower终身讲席教授。王教授是2019年爱因斯坦世界科学奖（Albert Einstein World Award of Science）、2018年埃尼奖（ENI award-The “Nobel prize” for Energy）、2015年汤森路透引文桂冠奖、2014年美国物理学会James C. McGroddy新材料奖和2011年美国材料学会奖章（MRS Medal）等国际大奖得主。他是中科院外籍院士、欧洲科学院院士、加拿大工程院外籍院士，国际纳米能源领域著名刊物Nano Energy（最新IF：15.548）的创刊主编和现任主编。

姜鹏，武汉大学药学院副教授。2013年获武汉大学博士学位；2013-2015年在武汉大学药学院从事博士后研究，随后留校任职至今；2017-2019年在佐治亚理工学院王中林教授课题组从事访问学者研究。研究方向为荧光纳米材料可控制备及应用，以及基于摩擦纳米发电机的自驱动药物递送系统及可穿戴健康监测系统研制。以第一作者身份在Adv. Mater., Chem. Mater., Biomaterials, Nanoscale等期刊上发表多篇论文。主持国家自然科学基金青年基金及中国博士后科学基金等项目，参与“艾滋病和病毒性肝炎等重大传染病防治”国家科技重大专项。

油-水-固界面接触起电及其在双信号化学传感中的应用

近年来，已有多种不同类型的液-固TENG被开发，用于能量收集及生物化学传感等领域。然而，目前已报道的液-固TENG仅研究了其在单一液相体系中的接触起电，而TENG在“油/水”多相体系中的接触起电过程尚未被研究。为了研究TENG在“油/水”多相体系中的接触起电过程，尤其是“油/水”界面电荷对TENG信号输出的影响，王中林院士研究团队开发了一种基于聚四氟乙烯（PTFE）、铜电极和玻璃基底的单电极模式液-固TENG。他们的研究结果显示，当液-固TENG插入“油/水”多相时，可以产生两个独特的信号，一个源于液体（水或油）与TENG的PTFE膜之间的接触起电和静电感应（V_TENG和I_TENG）；另一个源于铜电极对“油/水”界面电荷的静电感应（ΔV_interface和I_interface），其仅在TENG穿过“油/水”界面时产生。有趣的是，当在TENG的PTFE和玻璃表面修饰聚多巴胺层时，这两个信号显示出相反变化趋势，即V_TENG和I_TENG信号降低，而“油/水”界面信号ΔV_interface和I_interface增加。并且，I_TENG和I_interface的值与多巴胺浓度的自然对数有良好的线性关系，展示了该TENG在自驱动多巴胺双信号检测的应用前景。

首先，作者制作了一种基于PTFE、铜电极和玻璃基底的单电极模式液-固TENG，并研究了该TENG分别在单一油相和水相的电信号输出，结果显示，其电信号输出与TENG发电机理一致（图1）。

图1. 液-固TENG在单相溶液体系中的电输出

（来源：Adv. Mater.）

当液-固TENG插入“油/水”溶液中时，除了产生与单相溶液体系类似的电信号以外，还会在TENG穿过“油/水”界面时，产生一个独特的界面信号。如图2所示，TENG底部穿过“油/水”界面时，开路电压曲线会出现一个明显电压降，与之对应，在短路电流信号中会出现一个明显的脉冲峰。作者通过调节水相溶液pH值以及电解质浓度以改变界面电势，并测试界面信号的变化，结果显示，界面信号的变化与界面电势变化趋势一致，作者推测该界面信号是源于铜电极对“油/水”界面电荷的静电感应。

图2. 液-固TENG在“油/水”多相体系中的电输出

（来源：Adv. Mater.）

当在TENG的PTFE和玻璃表面修饰聚多巴胺层时，产生的两个独特信号显示出相反变化趋势，即V_TENG和I_TENG信号降低，而界面信号ΔV_interface和I_interface增加（图3）。聚多巴胺修饰层引起的TENG表面的亲水性增加被认为是界面信号变化的主要原因。为了证实该推测，作者用等离子体处理TENG的玻璃表面，以增加TENG表面的亲水性，结果显示，等离子处理后的TENG所产生的“油/水”界面信号明显增强，与聚多巴胺修饰的变化趋势一致。

图3. 聚多巴胺修饰对液-固TENG在“油/水”多相体系中电输出的影响

（来源：Adv. Mater.）

用浓度为0-500 μM的多巴胺改性后，液-固TENG在“油/水”体系中产生的两个信号分别随多巴胺浓度的增加而呈现相反的变化趋势，且都与多巴胺浓度的自然对数呈线性关系，展示了该TENG在多巴胺双信号检测的应用前景（图4）。

图4. 液-固TENG在“油/水”体系中的短路电流与多巴胺浓度的关系图

（来源：Adv. Mater.）

这项工作首次研究了液-固TENG在“油/水”多相体系的接触起电过程，探讨了“油/水”界面电荷对TENG电信号输出的影响，并利用液-固TENG在“油/水”体系中产生的两种独特的信号，发展了一种用于多巴胺检测的双信号传感平台。作者相信这一概念将有助于发展TENG在“油/水”界面研究和化学传感领域的应用。

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