摩擦電納米發電機具有可擴展性強、成本低、制造工藝簡單等優點。目前，TENG廣泛應用于各種自供電設備的實現中。最近，研究人員利用TENG電荷產生的靜電相互作用力制備了一種自供電靜電紡絲系統。此外，還開發了R-TENG增強聚酰亞胺（PI）納米纖維空氣過濾器。它可以通過顆粒的摩擦電荷和靜電吸引從環境大氣中去除顆粒物。這表明了使用TENG實現自供電電吸附技術的潛力。不僅如此，TENG還可用于自供電陰極保護，其中TENG的負極連接到受保護的金屬。通過這種方式，金屬的電勢可以低于周圍環境。它成為整個環境的陰極。因此，需要保護的金屬不會因為電子的損失而腐蝕。對于自修復涂層，主要性能評價指標是成膜率和質量以及金屬緩蝕效果。TENG可以通過注入電荷同時實現有效的分子吸附（電吸附）和金屬腐蝕抑制（陰極保護）。這展示了TENG與傳統自修復涂料相結合實現電荷調節自修復涂料的前景。

針對上述問題，重慶大學胡陳果教授、李文坡教授共同報道了一種使用模式可切換TENG實現的自適應電荷源用于電荷調控自修復涂層。相關研究成果發表于Adv. Funct. Mater.上。

1、MS-TENG和電荷調控自修復涂層的結構與工作機理

分子吸附膜的形成是制約自修復涂層修復性能的重要因素。研究表明，靜電吸附是影響有機小分子吸附和成膜的重要因素。基于這一特點，我們提出了電荷調控自修復涂層（CR涂層）。CR涂層的示意圖如圖1a所示。CR涂層能有效阻隔腐蝕性物質，通過物理隔離防止金屬腐蝕。在MS-TENG開始之后，電荷被注入到金屬襯底中。由于電荷注入到金屬中，它與帶正電的成膜有機化合物產生強大的靜電吸附，實現快速高效的自我修復。為了實現CR涂料的發展，我們首先需要對TENG進行研究。目前，大多數報道的TENG只有一個單一的輸出模式（直流或交流）。探索同時具有多種輸出模式的TENG的實現是重要的。值得注意的是，電荷激發方法已被廣泛用于提高TENG的輸出。然而，電荷激發方法對TENG的結構和輸出形式有一定的要求。當TENG切換輸出模式時，往往伴隨著結構和輸出方式的變化。因此，在TENG輸出模式轉換過程中，巧妙地設計保持電荷激發的結構具有重要的研究價值。對于MS-TENG，它由TENG主體、轉子邊緣上的內/外延伸電極和定子上的內-外軌道電極組成。圖1b顯示了TENG機身的示意圖。MS-TENG使用聚四氟乙烯和尼龍作為摩擦材料。懸浮的Al電極用作電荷注入的存儲器。圖1c顯示了MS-TENG中定子和轉子的數字照片。延伸電極規則地分布在轉子上。此外，相鄰的延伸電極分別布置在內緣和外緣，用于在旋轉過程中連接定子上的內外軌道電極，如圖1d所示。MS-TENG可以通過調整附加電極的高度在交流輸出和直流輸出之間切換（圖1e）。當附加電極的高度與軌道電極的高度相同時，整個軌道電極彼此連接以形成圓形電極。因此，在旋轉過程中，延伸電極可以保持與軌道電極的接觸以轉移電荷。我們可以直接將軌道電極視為導線。同時，附加電極連接到激勵電路，MS-TENG處于交流激勵狀態，如圖1e（上）所示。當附加電極的高度高于軌道電極的高度時，延伸電極不能直接接觸軌道電極。延伸電極將間歇地與附加電極接觸。在接觸的瞬間，定子上懸掛的Al電極通過勵磁電路充電（圖1e和f）。在非接觸期間，由于電荷的積累，延伸電極可以通過空氣擊穿向軌道電極釋放電荷（圖1g）。在整個過程中，激勵電路可以實現快速的電荷積累，為空氣擊穿提供所需的電荷。此外，在激勵電路（包括連接到激勵電路的電極）和TENG主體中不發生擊穿過程。因此，空氣擊穿的負面影響大大減少。

圖1.MS-TENG和CR涂層的結構和工作原理。a） CR涂層示意圖。b） MS-TENG主體部分的三維結構示意圖。c） MS-TENG的實際數碼照片。d） 可移動電極的示意圖。e） 軌道電極示意圖。f） 直流輸出模式下的電荷激勵示意圖。g）靜電擊穿的示意圖。

2、MS-TENG輸出測試

MS-TENG可以通過調整附加電極的高度在交流輸出和直流輸出之間切換。圖2a顯示了MS-TENG在交流輸出模式下的示意圖。在這種情況下，軌道電極和附加電極彼此連接。同時，定子上的內軌道電極和外軌道電極可以分別接觸MS-TENG轉子上相鄰的扇形電極（圖中用灰色和綠色電極表示）。因此，相鄰的扇形電極可以通過內/外軌道電極連接到激勵電路的兩端（圖2b）。在MS-TENG的實際工作中，PTFE和尼龍相互摩擦。最近，研究人員發現，接觸帶電是一種電子量子躍遷效應。[35，36]當PTFE和尼龍相互接觸時，電子躍遷可能發生在強烈重疊的電子波函數之間。最終，它導致PTFE和尼龍分別攜帶負電荷和正電荷。此外，MS-TENG連接到VMC以實現電荷激發過程。圖2b顯示了MS-TENG在周期性循環中的自激過程。在初始狀態下，VMC兩端的電壓為零。當MS-TENG開始周期性旋轉時，Cu電極之間的電勢差導致AC輸出。值得注意的是，VMC的兩端也開始充電，并且輸出電壓隨著運行時間而增加，并且由電路（紅線）分配給Cu電極（白色部分）的電荷也連續累積。帶負電的PTFE和帶正電的Cu電極的組合迫使Cu電極（綠色和灰色）中的電子移動，導致MS-TENG的感應輸出持續增加。在幾個循環之后，VMC兩端的電壓達到穩定狀態，并且注入到Cu電極中的電荷趨于飽和，達到最大輸出值。從而實現了充電自激工作模式。隨后，我們測試了MS-TENG的輸出性能。

首先，我們探討了摩擦材料的不同組合對輸出的影響（圖S2）。通過測試，我們發現聚四氟乙烯-尼龍摩擦材料組合具有最佳的摩擦帶電性能。此外，我們還成功驗證了勵磁電路的功能（圖S3）。隨后，我們測試了MS-TENG輸出和轉速之間的關系（圖2c）。可以看出，MS-TENG的輸出隨著速度的增加而逐漸增加。此外，MS-TENG還具有良好的耐用性（圖2d和圖S4）。得益于電荷激發的耐濕性，MS-TENG也具有良好的耐濕性能（圖2e和圖S5）。此外，MS-TENG可以通過整流器為電容器充電（圖2f）。此外，我們還測試了MS-TENG的直流輸出（圖2g，h）。測試結果表明，MS-TENG具有良好的輸出性能。在空氣擊穿后，激勵電路將對懸浮的Al扇形電極充電（當電荷輸出電極移動到附加電極時）。這樣，MS-TENG中的激勵電路可以連續積累電荷，而空氣擊穿將消耗激勵電路中電容器中存儲的電荷。

圖2:輸出MS-TENG的性能測試結果。a） MS-TENG在交流輸出模式下的示意圖。b） 電荷激發原理圖。c） MS-TENG的短路電流與速度之間的關系。d） MS-TENG的耐久性測試結果。e） MS-TENG的防潮測試結果。f） 電容器充電測試結果。g） MS-TENG在直流輸出模式下的短路電流。h） MS-TENG在直流輸出模式下的電壓。

3、電荷調節成膜機理

研究電荷調節下分子膜的形成機理對于理解CR涂層至關重要。圖3a顯示了MS-TENG作為電荷調節自修復涂層的電荷源的示意圖。電流形式對分子性質和吸附行為有影響。我們可以根據需要更改MS-TENG的輸出模式。AHMP可以在直流電場中定向遷移。因此，我們采用MS-TENG的直流輸出模式。當涂層受損，暴露出自修復基底涂層時，負載AHMP的納米二氧化硅將向溶液中釋放大量AHMP分子（圖3b）。然后，AHMP的中性分子由于質子化而帶正電，并迅速被注入負電荷的金屬吸附（圖3c）。金屬的保護是通過形成分子膜來實現的。對涂有自修復涂層的金屬的腐蝕試驗結果證實了上述機理。在不使用電荷調節的情況下，浸泡在0.5mol/L硫酸中的X80鋼發生腐蝕。金屬基板上有明顯的裂紋（圖3d）。在使用電荷調節策略后，金屬中幾乎沒有發生腐蝕。這是由于注入電子抑制腐蝕和快速有效的自我修復。（圖3e）。

此外，我們還分析了不同條件下鋼表面的腐蝕和成膜情況（圖3f）。在硫酸溶液中，X80鋼由于硫酸根離子的腐蝕性而迅速受到侵蝕，但表面沒有形成連續的腐蝕反應產物膜。事實上，X80鋼表面沒有形成連續層，只有不溶性離子和/或腐蝕產物被吸附（圖3f I）。在這種情況下，反應產物僅以顆粒的形式部分吸附到表面。AHMP含有N、O和S原子，因此它們可以在酸溶液中質子化，嘧啶化合物以中性分子（AHMP）或陽離子（[AHMPx]^x+）的形式存在。另一方面，眾所周知，鋼表面在酸性溶液中是帶正電的。由于靜電排斥，質子化[AHMPHx]^x+很難接近帶正電的鋼表面（H3O⁺/金屬界面）。因此，在單獨使用AHMP的情況下，分子很難被吸附并在金屬基底上形成膜，并且不能形成有效的保護（圖3f-II）。然而，電子的注入可以使金屬帶負電，有效地增強成膜分子與金屬之間的靜電吸附。最終，分子和金屬吸附的增強導致金屬表面成膜分子產生的膜覆蓋面積增加，甚至從單層膜變為多層膜，從而更好地保護金屬（圖3f-III）。

圖3.電荷調節成膜機制。a）MS-TENG作為電荷調節自修復涂層的電荷源的示意圖。b） 自修復功能分子從納米容器中釋放的示意圖。c） 金屬吸附帶電自修復功能物質在電荷調節下的原理圖。d） 涂有自修復涂層的金屬在硫酸中浸泡后的SEM測試結果（不使用電荷調節）。e） 涂有自修復涂層的金屬在硫酸中浸泡后的SEM測試結果（使用電荷調節）。f） 不同條件下鋼材表面腐蝕和成膜示意圖。

在本文中，我們開發了MS-TENG，它可以輕松地在直流輸出模式和交流輸出模式之間切換。我們設計了一種獨特的電極結構，允許MS-TENG在輸出模式切換過程中保持電荷激發。同時，得益于獨立的軌道電極設計。抑制了空氣擊穿的負面影響。此外，通過在涂層內構建電荷調節陽極并在涂層和金屬之間形成電容器，開發了電荷調節自修復涂層。此外，MS-TENG被用作電荷調節自修復涂層的電荷源。最終，實現了對金屬的有效保護。這項研究展示了實現高性能TENG和自修復涂層的廣闊前景。