北京纳米能源与系统研究所高密度TENG探针阵列实时测量液固界面间电荷转移分布图

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近年来大量研究聚焦于液-固界面间的接触起电和电荷转移现象，相关机理包括电荷载体（电子或离子转移) 和双电层的形成已得到广泛讨论。但对于电荷如何在液体和固体表面之间进行转移，以及电荷转移的动力学参数等，仍然没有得到统一的认知。液-固界面间的电荷转移在许多领域至关重要，例如能量收集（液滴摩擦纳米发电机）、表界面电化学、电催化和生物化学。同时，在描述水在疏水表面上的运动时，也应考虑到液-固界面间电荷转移作用。然而，由于一直以来缺乏合适的检测技术，对液-固界面间电荷转移的量化和动力学分析，尤其是对液-固界面间电荷转移的原位动态分布监测目前仍然处于空白。而采用具有高密度独立电极阵列的阵列液滴摩擦纳米发电机探针去实时监测液滴在疏水固体表面整个运动过程中的高分辨电荷分布为解决这个问题提供了新思路。
　　近日，中科院北京纳米能源与系统研究所研究团队基于高密度独立电极阵列液滴摩擦纳米发电机（Pixeled-TENG）设计出了新型的探针，可用于实时监测液滴在疏水固体表面整个运动过程中的电荷转移分布，分辨率可达0.4 mm。这项工作表明液固界面间电荷转移并不是均匀分布，而是会受到液滴运动状态、光照和溶液酸碱性等因素的影响。因此，通过对液-固界面间转移电荷高分辨分布图的分析，我们不仅可以获得接触材料的物理和化学信息，还可以获得液滴运动过程中的动力学信息，比如速度和加速度，这将为未来设计更加灵敏的物理、化学和生物传感器提供新的思路。该成果以“Pixeled Triboelectric Nanogenerator Array as a Probe for in-situ Dynamic Mapping of Interface Charge Transfer at a Liquid-Solid Contacting”为题发表在ACS Nano上。
　　原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.2c11633  

图1: Pixeled -TENG的结构设计和工作原理。(a-b) Pixeled -TENG的工作原理和结构示意图。(c)水滴滑过FEP表面的二维转移电荷分布图。(d)不同膜厚下感应电荷的仿真结果。

　　本文通过将一种具有高密度独立电极阵列的液滴摩擦纳米发电机作为探针，用于监测液-固界面间的实时高分辨电荷转移分布。实验结果表明液-固界面间的转移电荷分布与液滴运动状态、光照和溶液酸碱性紧密相关。因此，这种基于阵列液滴摩擦纳米发电机的探针可以提供一种优于原子力显微镜的高分辨电荷转移实时监测方法，将对材料的表面特性（化学和物理特性）检测、化学传感、生物医学传感器等具有重要意义。
       文章来源：中国科学院北京纳米能源与系统研究所