北京纳米能源所陈翔宇与东京工大Iwamoto教授等综述：多种界面的接触起电和相关应用

研究背景

摩擦电纳米发电机(TENG)可以在固-固、液-固、液-液、气-固和气-液等不同界面上有效地收集能量。TENG能量转换效率的提高和器件的稳定性与界面接触起电研究的进展密切相关。TENG在各个领域的发展激发了人们对CE的持续研究兴趣，而在各个界面上对CE的研究进展可以为提高TENG性能提供良好的反馈。

A Review: Contact Electrification at Diversified Interfaces and Related Applications 

Jun Hu, Mitsumasa Iwamoto*, Xiangyu Chen*

Nano-Micro Letters (2024)16: 7

https://doi.org/10.1007/s40820-023-01238-8

本文亮点

1. 总结并比较分析了不同界面上CE的特点、作用机理、材料选择的多样性以及改性方法，为今后不同界面上的CE研究提供了有价值的指导。

2. 详细介绍了基于不同界面接触起电的TENG的独特应用。

3. 讨论了基于CE的TENGs所面临的挑战和发展前景。

内容简介

本文以比较总结不同界面CE机制的特点为切入点，对界面CE的原理、材料选择范围、界面调节方法和应用进行了全面的综述。阐述了不同界面上CE的原理，突出了电子云模型和混合EDL模型的优越性，以及相互启发和互补的界面CE研究过程。北京纳米能源与系统研究所陈翔宇研究员等概述了影响不同界面CE的因素，并总结了针对不同界面的具有普适性和有针对性的改性方法。文章还讨论了各个界面在不同环境中的应用。文章强调界面特性和不同界面之间的相互联系，希望能够激发创新思想，显著提高摩擦电纳米发电机(TENG)能量转换的效率，促进研究者们对新的应用领域的开发。最后，本文还讨论了未来CE研究面临的机遇和挑战，旨在为相关领域的发展和创新提供见解。

图文导读

电子云模型提供了可视化的原子水平电子转移过程。该模型也适用于解释固液界面的接触起电过程。它表明，在某些情况下，电子转移在固-液 CE 中起着主导作用，除此之外，几十年来人们对界面离子转移做出了解释。Wang 等人引入了混合 EDL 模型和 “两步 “形成过程，同时考虑了电子转移和离子吸附，第一步，由于液体的热运动和压力，液体中的分子和离子撞击固体表面，由于固体原子和水分子的电子云重叠，电子将在固体原子和水分子之间转移。电离反应和离子吸附作为平行过程在固体表面同时发生。值得注意的是，电离反应产生的离子和转移的电子都会改变表面附近的电势分布。在第二步中，液体中的游离离子在静电力的作用下被吸引到带电表面。因此，这些离子向带电表面迁移，形成 EDL。此外，EDL 的形成还受到固体材料给予/吸收电子能力的影响。

图1. a 液滴 TENG 的工作机制和电子云模型；b 液态水电离和质子转移后的初级化学反应。；c 界面水的结构和解离示意图；d 在固液界面形成电双层。

在固-固 CE 中，器件的抗疲劳性和可循环性是衡量固 CE 器件实际应用性能的重要指标。Wang 等人利用水基氧化石墨烯作为润滑剂，实现了超过 30,000 次循环的高输出长期运行。然而，材料固有的分子结构所产生的电负性差异是影响电荷密度的根本因素。因此，材料的结构设计和改性是提高界面 CE 性能的关键因素。常见的调节方法包括设计材料的分子结构、实施物理改性、采用化学改性以及提高工艺技术等。

图2. a. 材料的分子结构设计和合成；b. 物理改性；c. 化学改性，包括离子辐照和无机物掺杂；d. 特殊成型工艺，以改善材料的 CE 特性。

在 CE 材料选择领域，材料的选择受原子电负性和官能团类型等因素的影响。固体材料原子排列密集，为改变化学键和晶体结构提供了大量机会。因此，有多种材料可供选择。此外，固体材料的可塑性使其具有优于液体和气体的加工性能，对液体改性的研究主要集中在离子种类和浓度上，对气体改性的研究仍然相对较少。不过，值得注意的是，与液体和气体不同，固体材料在摩擦过程中更容易出现磨损问题，而且容易腐蚀。相反，液-液和气-液界面在使用寿命和耐磨性方面具有明显优势。电荷密度是评估能量转换的关键指标，也是观察不同界面趋势的主要因素。不过，需要注意的是，目前不同界面的研究进展差异很大。现有的研究多侧重于固-固 CE，针对固-气、液-液和液-气界面的研究较少。

图3. a 比较不同界面的材料选择范围、可加工性和环境稳定性；b、c根据现有研究的数量和表面电荷密度的限制讨论 CE 在不同界面的可开发前景。

固体材料一般都比较坚硬，能够抵御可能改变其形状或体积的外部影响。因此，固体界面可以多样化，以适应不同的应用场景和需求。目前，已开发出单层、多层、弯曲和转盘等多种 CE 界面形式。例如：混合能源振动驱动摩擦纳米发电机利用风力驱动 TENG 产生接触分离，从而收集振动能量，作为自供电信息检测/传输/报警系统的电源。水波能驱动的电化学系统利用从纳米发电机收集的能量最大限度地生产甲酸，在 0.04 平方米的面积上收集的波能每天生产 2.798 毫摩尔甲酸，二氧化碳转换效率接近 100%。高度稳定的多相 TENG，在恒流条件下，通过电极错位和电路连接利用常见的日常材料实现了高平均输出功率的直流输出，扩大了 TENG 材料的选择范围，并利用其旋转特性实现了循环转轮能量收集。利用基于TENG的可植入的摩擦材料制备完全可植入的共生心脏起搏器 (SPM)。一种具有三重形状记忆效应的弹性体，并集成开发了一种多功能自供电信息编码设备(IED)。

图4. 各种固-固界面 CE 衍生出的应用场景，包括：a 能量收集；b 生物治疗；c 智能物联网；d 信息编码。

文章总结了基于不同界面CE的TENGs的可进一步开发的应用领域，希望能为未来的界面设计提供有价值的指导，从而实现更广泛的实际应用和更优异的性能。

图5. 基于不同界面CE的TENGs的可进一步开发的应用领域。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2022JCR影响因子为 26.6，学科排名Q1区前5%，中科院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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