在廣泛的能量收集技術(shù)中，摩擦納米發(fā)電機（TENG）由于其高能量轉(zhuǎn)換效率和簡單的制造而獲得了巨大的吸引力。這些設(shè)備不僅可以將大量機械能轉(zhuǎn)換為電能，而且還被用于自供電傳感器應(yīng)用。然而，基于接觸分離的 TENG 會由于材料的磨損、設(shè)備的更換以及操作產(chǎn)生的噪音而導(dǎo)致 TENG 的魯棒性和可靠性下降。具有非接觸式交互能力的非接觸式摩擦電納米發(fā)電機對于醫(yī)療保健，遠(yuǎn)程安全和增強現(xiàn)實中的應(yīng)用變得非常具有潛力。

來自韓國光云大學(xué)的學(xué)者提出了一種基于硅氧烯/Ecoflex納米復(fù)合材料的高性能非接觸式摩擦納米發(fā)電機（TENG），該發(fā)電機由于硅氧烯/Ecoflex具有很強的電子親和力特性而產(chǎn)生豐富的表面電荷。此外，電荷保持是非接觸式TENG的重大挑戰(zhàn)之一。為此，本文引入摻入激光誘導(dǎo)石墨烯（LIG）的二硫化鉬（MoS2）作為電荷捕獲層，使表面電位增加四倍，從而提高TENG的輸出性能，并表現(xiàn)出由表面電位測量支持的優(yōu)異的電荷捕獲性能。此外，制造的TENG具有出色的濕度傳感特性，靈敏度為0.45 V /%。由于TENG的非接觸機制，可以防止設(shè)備發(fā)生磨損。最后，本文演示了TENG用于非接觸式洗手液應(yīng)用的自供電傳感器，以及一種無線控制器，用于發(fā)送觸發(fā)信號以控制游戲界面中物體的運動。考慮到持續(xù)的冠狀病毒大流行，本文提出的非接觸式TENG對于非接觸式交互和減少可能的接觸情況提供了一種解決方案。相關(guān)文章以“ASiloxene/Ecoflex Nanocomposite-Based Triboelectric Nanogenerator with Enhanced Charge Retention by MoS2/LIG for Self-Powered Touchless Sensor Applications”標(biāo)題發(fā)表在Advanced Functional Materials。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202113005

圖1. 非接觸式 TENG 示意圖。a) Siloxene/Ecoflex 作為電荷產(chǎn)生層，具有 LIG 的 MoS 2作為電荷俘獲層，以及銅作為電荷收集層的示意圖。b) 具有MoS 2 /LIG的微結(jié)構(gòu)化硅氧烷/Ecoflex 納米復(fù)合材料的制備步驟。c) 本文制造的 TENG 裝置的照片。d)微結(jié)構(gòu)化硅氧烷/Ecoflex 薄膜的場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM) 圖像。

圖2. CaSi 2、硅氧烷片材、Pristine Ecoflex 和 Siloxene/Ecoflex 納米復(fù)合材料的物理特性。a)通過拓?fù)浠瘜W(xué)反應(yīng)從層狀 CaSi 2制備硅氧烷片的示意圖。b) 在 Ecoflex 聚合物基質(zhì)中加入硅氧烷的示意圖。c) 硅氧烷/Ecoflex 納米復(fù)合材料的能量色散光譜 (EDS) 元素映射。d) CaSi 2和硅氧烷片的傅里葉變換紅外光譜 (FTIR)。e) CaSi 2 、硅氧烷片、Pristine Ecoflex 和硅氧烷/Ecoflex 納米復(fù)合材料的 X 射線光電子能譜 (XPS) 測量光譜。(f) CaSi 2、硅氧烷片材、Pristine Ecoflex和硅氧烷/Ecoflex 納米復(fù)合材料的XRD光譜、。

圖3. 非接觸式 TENG 的電氣特性。a) 基于硅氧烷/Ecoflex 的非接觸式 TENG 的工作原理。b) COMSOL 模擬展示了 TENG 的潛在分布。c) 不同重量比（0.5-2 wt%）的硅氧烷/Ecoflex 納米復(fù)合材料的介電常數(shù)測量。d）峰值電壓e）電流密度和f）硅氧烷/ Ecoflex納米復(fù)合材料在不同重量比（0.5-2 wt%）下的表面電位測量。g) Pristine Ecoflex (PE)、Siloxene/Ecoflex(SE)、Siloxene/Ecoflex with LIG (SEL)、Siloxene/Ecoflex with MoS 2 (SEM)和具有 MoS2 /LIG (SEML) 的硅氧烷/Ecoflex 納米復(fù)合材料。

圖4. TENG參數(shù)的優(yōu)化。a）對原始生態(tài)反射（PE）、硅氧烯/生態(tài)反射（SE）、硅氧烯/生態(tài)反射與LIG（SEL）、硅氧烯/生態(tài)反射與MoS2（SEM）和硅氧烯/生態(tài)反射與MoS2/LIG（SEML）的表面電位測量超過100小時的結(jié)果。b) SEML 的負(fù)載電壓和峰值功率。c) PE、SE、SEL、SEM和SEML之間的峰值功率比較。d) 峰間電壓和 e) 不同納米復(fù)合材料厚度下納米復(fù)合材料的電流密度。f）峰間電壓和g）納米復(fù)合材料在不同頻率下的電流密度。h) 不同分離距離下納米復(fù)合材料的峰峰值電壓。i) 顯示峰間電壓與分離距離之間關(guān)系的線性擬合曲線。

圖5. 演示用于非接觸式洗手液應(yīng)用的自供電摩擦電傳感器。a）本文制造的摩擦電傳感器的濕度測試——TENG在不同相對濕度下的輸出電壓。b) 摩擦電傳感器對濕度的靈敏度和線性適應(yīng)度。c) 用于演示非接觸式洗手液應(yīng)用的系統(tǒng)架構(gòu)。d) 干手演示的非接觸式洗手液。e) 干手演示期間的信號波形。f) 用濕手演示的非接觸式洗手液。g) 濕手演示期間的信號波形。

圖6. 摩擦電傳感器作為無線游戲控制器的演示。a) 用于演示摩擦電傳感器作為無線游戲控制器的系統(tǒng)架構(gòu)。b) 顯示非接觸式傳感器和通過藍(lán)牙無線傳輸傳感器輸出的照片。c) 來自摩擦電傳感器的輸出信號，該信號作為觸發(fā)信號用于控制游戲界面中物體的移動。d-g)說明游戲控制功能的照片。

本文開發(fā)了一種高性能硅氧烯/Ecoflex納米復(fù)合材料基非接觸式摩擦電納米發(fā)電機，由于硅氧烯/Ecoflex的強電子親和力，因此可產(chǎn)生豐富的表面電荷。由于聚合物基體內(nèi)部的微觀電容器形成和微觀偶極子形成，納米復(fù)合材料的電子親和力得到改善。由MoS2結(jié)合的LIG組成的電荷捕獲中間層由于存在豐富的陷阱水平，從而有助于更好的電荷捕獲。此外，該設(shè)備可以防止電子向電極的擴散，從而改善了雙分子層的介電性能和極化，進而顯著提高了TENG的電荷保持性能和輸出性能。因此，功率密度增加了兩倍、表面電位增加了四倍，這得到了表面電位測量的證明。此外，TENG還具有出色的濕度傳感特性，靈敏度為0.45 V/%，而由于TENG的非接觸式機制，可以防止設(shè)備的磨損。最后，該設(shè)備被成功演示為用于實現(xiàn)非接觸式洗手液的自供電傳感器和用于控制游戲界面中物體運動的無線控制器。因此，本文相信，目前的研究將對在非接觸式摩擦電納米發(fā)電機和非接觸式應(yīng)用領(lǐng)域工作的研究人員提供有用的參考。