上海交大楊卓青團隊在單液滴摩擦發電超高輸出機理研究中取得重要進展

近日,上海交通大學電子資訊與電氣工程學院微納電子學系楊卓青研究員團隊與中科院王中林院士合作在單液滴摩擦發電超高輸出機理研究中取得重要進展。基於固-液雙電層電容的介面效應和電晶體開關效應,將等效電路模型引入到水滴發電機中,使一點水滴在無需預充電的情况下即可實現超過100V的輸出電壓,大幅提升了水滴摩擦發電的效率。

近日,上海交通大學電子資訊與電氣工程學院微納電子學系楊卓青研究員團隊與中科院王中林院士合作在單液滴摩擦發電超高輸出機理研究中取得重要進展。基於固-液雙電層電容的介面效應和電晶體開關效應,將等效電路模型引入到水滴發電機中,使一點水滴在無需預充電的情况下即可實現超過100V的輸出電壓,大幅提升了水滴摩擦發電的效率。相關論文以“A Single-Droplet Electricity Generator Achieves an Ultrahigh Output Over 100 V Without Pre-Charging”為題線上發表於自然指數(Nature Index)頂級期刊《Advanced Materials》(影響因數:30.849)。

摩擦起電是自然界常見的物理現象,自2012年摩擦納米發電機(TENG)被發明以來,摩擦發電已逐漸成為一種能源收集和自驅動傳感的主流科技。摩擦納米發電機耦合了接觸帶電和靜電感應,由於其在收集低頻、高熵能源方面所展現的獨特優勢,已在微納能源、自驅動傳感、高壓電源和藍色能源等領域得以廣泛研究和應用。

基於摩擦納米發電機的能量採集及供電策略

受場效應電晶體工作原理的啟發,該研究工作將固-液帶電介面形成的雙電層電容引入電路方程,並建立了基於介面效應和開關效應的水滴發電機等效電路模型。在沒有對固體表面進行預充電(電暈充電或電荷注入等)的前提下,僅利用儲存在雙電層電容內的電荷,使單純的一滴水便能够產生高達100V以上的輸出電壓,與傳統的靜電感應發電管道相比,其電學輸出直接提高了兩個數量級。同時,該工作也對固-液介面等效電路方程、電學輸出行為和介面理化特性進行了系統的分析,為相關研究人員深入理解水滴摩擦發電中的介面-開關效應機理提供了重要的理論基礎和實驗驗證。

單液滴在疏水介面上的運動特性(高速攝影影像)

基於介面效應和開關效應的水滴發電機等效電路模型

該研究工作表明,對於固-液起電介面,不能單純地利用傳統的固-固起電介面輸出管道(即靜電感應),更讓我們在機理上重新認識了固-液介面效應和開關效應對水滴發電輸出效率的重要性,為水滴摩擦發電機的未來發展提供了有意義的指導,也為大規模收集天然液滴能等綠色能源的應用奠定了重要的理論基礎。

上海交通大學為上述工作第一完成單位,電子資訊與電氣工程學院碩士研究生張起、博士研究生李亞輝為該論文共同第一作者。上海交通大學楊卓青研究員、中科院北京納米能源與系統研究所王中林院士為該論文共同通訊作者。相關研究工作得到了國家重點研發計畫(2020YFB2008503),國家自然科學基金(No.61974088)和教育部裝備預研聯合基金項目(6141A02022424)的資助。

論文連結

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202105761

資料標籤: 科普
本文標題: 上海交大楊卓青團隊在單液滴摩擦發電超高輸出機理研究中取得重要進展
永久網址: https://www.laoziliao.net/doc/1656041674716781
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