杨卓青团队在单液滴摩擦发电超高输出机理研究中取得重要进展

qingtian

近日，上海交通大学电子信息与电气工程学院微纳电子学系杨卓青研究员团队与中科院王中林院士合作在单液滴摩擦发电超高输出机理研究中取得重要进展。基于固-液双电层电容的界面效应和晶体管开关效应，将等效电路模型引入到水滴发电机中，使一点水滴在无需预充电的情况下即可实现超过100V的输出电压，大幅提升了水滴摩擦发电的效率。相关论文以“A Single-Droplet Electricity Generator Achieves an Ultrahigh Output Over 100 V Without Pre-Charging”为题在线发表于自然指数（Nature Index）顶级期刊《Advanced Materials》（影响因子：30.849）。
         摩擦起电是自然界常见的物理现象，自2012年摩擦纳米发电机（TENG）被发明以来，摩擦发电已逐渐成为一种能源收集和自驱动传感的主流技术。摩擦纳米发电机耦合了接触带电和静电感应，由于其在收集低频、高熵能源方面所展现的独特优势，已在微纳能源、自驱动传感、高压电源和蓝色能源等领域得以广泛研究和应用。

基于摩擦纳米发电机的能量采集及供电策略

        受场效应晶体管工作原理的启发，该研究工作将固-液带电界面形成的双电层电容引入电路方程，并建立了基于界面效应和开关效应的水滴发电机等效电路模型。在没有对固体表面进行预充电（电晕充电或电荷注入等）的前提下，仅利用储存在双电层电容内的电荷，使单纯的一滴水便能够产生高达100V以上的输出电压，与传统的静电感应发电方式相比，其电学输出直接提高了两个数量级。同时，该工作也对固-液界面等效电路方程、电学输出行为和界面理化特性进行了系统的分析，为相关研究人员深入理解水滴摩擦发电中的界面-开关效应机理提供了重要的理论基础和实验验证。

单液滴在疏水界面上的运动特性（高速摄影图像）

基于界面效应和开关效应的水滴发电机等效电路模型

         该研究工作表明，对于固-液起电界面，不能单纯地利用传统的固-固起电界面输出方式（即静电感应），更让我们在机理上重新认识了固-液界面效应和开关效应对水滴发电输出效率的重要性，为水滴摩擦发电机的未来发展提供了有意义的指导，也为大规模收集天然液滴能等绿色能源的应用奠定了重要的理论基础。
       上海交通大学为上述工作第一完成单位，电子信息与电气工程学院硕士研究生张起、博士研究生李亚辉为该论文共同第一作者。上海交通大学杨卓青研究员、中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士为该论文共同通讯作者。相关研究工作得到了国家重点研发计划 （2020YFB2008503），国家自然科学基金（No.61974088）和教育部装备预研联合基金项目（6141A02022424）的资助。
        论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202105761


       文章来源：上海交通大学
       杨卓青，教授、博士生导师，上海交通大学“微米/纳米加工技术国家级重点实验室”研究员。于2003年和2005年在哈尔滨工程大学机电工程学院获得学士与硕士学位，2010年获得上海交通大学微电子学与固体电子学博士学位，2011-2013年期间，在日本国立产业技术综合研究所（AIST）任JSPS博士后特别研究员。目前任职于上海交通大学电子信息与电气工程学院微纳电子学系，长期致力于MEMS惯性开关、柔性纤维/圆管/毛细管等表面的三维MEMS集成制造、PowerMEMS等相关研究，拥有20多项中国发明专利和1项日本专利，在IEEE JMEMS、IEEE TED、Adv Energy Mater、Nano Energy、Lab Chip等国际期刊上发表论文100多篇，并受邀担任多个国际学术会议的TPC成员和分会主席，目前为Micro and Nanosystems、Nanomanufacturing、《功能材料与器件学报》等多个学术期刊编委。此外，曾获得2016年“上海市技术发明一等奖”和2019年“工信部国防科技进步三等奖”，并于2014年入选“上海市浦江人才计划”，目前为中国仪器仪表学会微纳器件与系统技术分会理事、中国微米纳米技术学会高级会员、中科院深圳先进技术研究院客座研究员，以及IEEE高级会员。