兰州大学科研团队利用温差提升摩擦纳米发电机的输出学术资讯

在信息感知与万物互联的时代，针对传感网络中电子器件小型化、可移动且数量庞大与分布广泛的特点，传统供电方式已难以满足大规模、高分散传感网络的需求，迫切地需要发展便携、可持续和分散的无碳绿色能源来解决这些分布式电子器件的可持续性供电问题。摩擦纳米发电机可将环境中广泛存在的微弱、无规律的机械能借助摩擦起电与静电感应有效地转化为电能，因而引起了全世界的广泛关注。然而，摩擦纳米发电机通常工作于常温环境下，当其处于高温环境中时，摩擦层中积聚的摩擦电荷会通过热电子发射而耗散，导致摩擦纳米发电机的输出性能大幅度地降低。开发适用于高温环境甚至是局部高温环境的高输出摩擦纳米发电机对于发动机、排气管等部位的能量收集、实时监测等应用场景具有重要的意义。

近日，兰州大学材料与能源学院秦勇教授研究组成功将原本不利于摩擦纳米发电机工作的高温环境转变为有利因素，利用高温与近室温所带来的温差大幅度地提升了摩擦纳米发电机的输出性能。在该工作中，科研人员围绕摩擦层中的热电子发射与摩擦材料间的电荷转移，从理论上分析了高温和温差对摩擦纳米发电机的影响，并提出利用高温产生的温差提高摩擦纳米发电机输出的方法，设计了一种具有可控摩擦层温度的温差摩擦纳米发电机。当两个摩擦层之间的温差从0 K增加到219 K时，温差摩擦纳米发电机的输出性能出现了先增加后降低的变化。在最佳温差(~145 K)时，温差摩擦纳米发电机的开路电压、短路电流、表面电荷密度和输出功率相较于无温差时分别提高了1.7、1.2、2.0、4.9倍。通过进一步优化温差摩擦纳米发电机的摩擦材料，将摩擦纳米发电机的短路电流密度提高到443 μA/cm2，比已报道的最高值350 μA/cm2提高了26.6%。

上述成果以“High Performance Temperature Difference Triboelectric Nanogenerator”（高性能温差摩擦纳米发电机）为题在Nature Communications（《自然-通讯》）上发表。在该论文中，兰州大学材料与能源学院为第一署名单位，博士生成博浪、硕士丁亚钦、青年教师徐奇为论文共同第一作者，青年教师温娟和秦勇教授为论文共同通讯作者。