清華新聞網(wǎng)3月11日電（通訊員 王興偉）摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）自驅(qū)動(dòng)技術(shù)憑借其對(duì)環(huán)境機(jī)械能（風(fēng)能、波浪能等）的高效收集與轉(zhuǎn)化能力，為構(gòu)建能源自給、智能互聯(lián)的環(huán)境監(jiān)測(cè)與治理體系提供了創(chuàng)新路徑。清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院周小紅副教授課題組圍繞TENG自驅(qū)動(dòng)技術(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與高效能量轉(zhuǎn)換機(jī)制、多場(chǎng)景應(yīng)用效果評(píng)價(jià)開(kāi)展研究，取得了一系列成果。
在TENG結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與高效能量轉(zhuǎn)換機(jī)制方面，課題組研發(fā)了多種類(lèi)型的高性能TENG。針對(duì)滾筒型TENG，通過(guò)對(duì)比不同摩擦電材料，課題組研究發(fā)現(xiàn)，聚四氟乙烯具有高電離能和強(qiáng)電負(fù)性，而Cu具有相對(duì)較低的功函數(shù)（～4.5eV），兩者在得/失電子能力上的巨大差異導(dǎo)致界面處電荷轉(zhuǎn)移效率高，從而產(chǎn)生最高的電輸出。通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，課題組確定了8柵格電極和滑動(dòng)葉片式結(jié)構(gòu)為最優(yōu)方案，在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了其輸出與轉(zhuǎn)速正相關(guān)，并在130MΩ負(fù)載下獲得了87.9mW的最大功率。課題組設(shè)計(jì)并提出了一種可穿戴接觸-分離式TENG，采用柔性支撐結(jié)構(gòu)和聚四氟乙烯作為摩擦層，通過(guò)人體運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)接觸-分離過(guò)程，將步行、關(guān)節(jié)活動(dòng)等機(jī)械能高效轉(zhuǎn)換為電能。實(shí)驗(yàn)表明，其開(kāi)路電壓與短路電流均隨運(yùn)動(dòng)頻率呈規(guī)律性變化，輸出性能穩(wěn)定。課題組還研發(fā)了一套高效的“蓄能釋放-動(dòng)態(tài)調(diào)配”能量管理電路，解決了TENG高阻抗、高電壓輸出與低電壓用電器需求不匹配的難題。測(cè)試表明，該電路能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)88.76%，將TENG的匹配阻抗從130MΩ顯著降至9MΩ，對(duì)儲(chǔ)能電容的充電速度提升了10倍。
在多場(chǎng)景應(yīng)用效果評(píng)價(jià)方面，配合半導(dǎo)體型Ga2O3/MXene氨氣傳感器的開(kāi)發(fā)，課題組設(shè)計(jì)的滾筒型TENG在收集軸承的摩擦能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)氨泄漏的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警和機(jī)械故障診斷。基于可穿戴接觸-分離式TENG與ZnO/GO氨氣傳感器耦合，課題組構(gòu)建了一套無(wú)需整流電路與外部電源的自供能氨氣傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。課題組還提出了具有“變阻抗”特性的摩擦-電磁混合發(fā)電系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)紫外（UV）汞燈，匹配其啟動(dòng)前后內(nèi)阻的數(shù)量級(jí)變化（從GΩ級(jí)到MΩ級(jí)）。由手搖或腳踏驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的能量足以直接驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)電壓高約1000V的254nm UV汞燈，在20秒內(nèi)可實(shí)現(xiàn)對(duì)108CFU/ml大腸桿菌的完全滅活。
摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用（上圖為可穿戴接觸-分離式TENG用于工業(yè)園區(qū)氨氣監(jiān)測(cè)；下圖為變阻抗摩擦-電磁混合發(fā)電系統(tǒng)用于自驅(qū)動(dòng)UV汞燈消毒）
相關(guān)研究成果分別于2025年7月、12月和2026年2月20日發(fā)表于《納米能源》（Nano Energy）、《先進(jìn)科學(xué)》（Advanced Science），以及《美國(guó)化學(xué)會(huì)·納米》（ACS Nano）。環(huán)境學(xué)院2022級(jí)博士生王興偉為論文第一作者，環(huán)境學(xué)院副教授周小紅為論文通訊作者。重要合作者包括香港城市大學(xué)袁志國(guó)院士、重慶大學(xué)教授郭恒宇、重慶師范大學(xué)副教授陳杰等。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.111060
https://doi.org/10.1002/advs.202516833
https://doi.org/10.1021/acsnano.5c13095
供稿：環(huán)境學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
