【文献解读】ACS Energy Letter 纳米发动机 从生活中来到生活中去

清洁能源如风能、太阳能、热能、机械能已经被广泛的应用于发电以减少常规能源造成的环境污染。其中机械能在我们的日常生活中有丰富的来源，而且摩擦纳米发电机（HPF-FTENG）可通过将日常生活中的机械能转化为电能满足日常便携式设备的供电需求（自供电传感器、微/纳米能源系统和医疗监测仪）。此外，HPF-FTENG还具有输出功率密度高、重量轻、成本低、制造方便等优点。利用可再生的、可生物降解的、无毒的化学物质制造环境友好的能源收集系统也是解决环境污染和社会危害的一个有效途径。天然高分子材料如纤维素、丝素蛋白、几丁质、宣纸、蛋清等具有良好的生物相容性、易加工性和良好的成膜性等优点，是制备HPF-FTENG的合适组件。

近日，韩国Kyung Hee University的Jae Su Yu在ACS Energy Letter期刊发文，利用棉花纳米纤维素-聚乙烯醇构建了cellulose-loaded polymer摩擦生电正极薄膜，然后将其与聚四氟乙烯负极薄膜共同组成了柔性的、输出稳定的摩擦纳米发动机器件，并系统的研究了纳米发动机输出电性能与电极表面积、环境湿度、施加机械力大小、频率的相互影响关系。

本文作者通过酸、碱水解处理的方法从棉花中制备得到纳米纤维素，然后将聚乙烯醇-纤维素悬浮液喷涂在氧化铟锡包覆的聚对苯二甲酸乙二醇酯（ITO/PET）上面得到柔性的多孔正极膜（HPF），其具有强烈的失去电子的倾向并可在其表面诱导出正电荷；而PTFE膜有强烈的得电子倾向并在其表面形成负电荷排列。将上述正、负极膜、垫片组装得到了柔性的摩擦纳米发动机。通过摩擦生电及静电感应可获得不断转换的电压、电流输出。当施加外力使得柔性电极接触时，正、负极表面分别产生正负电荷。随着外力撤去，电极间发生电子的流动，并输出一定的电压、电流，最终达到电荷平衡。当再次施加压力时，正负极的接近诱发了反向的电压和电流。

接着作者通过改变纳米纤维素-聚乙烯醇的涂覆层数研究了HPF表面积对纳米发动机电性能的影响。可以看出随着HPF表面积的增大，其输出的电压、电流均提高。当施加稳定的力（~3.5N, 5Hz）时，三层结构的HPF可输出的电压、电流分别可达300 V、30 µA。制备的器件的输出功率密度如图2f所示。在一定范围内，其输出的有效功率密度随着负载电阻的增大而增大。当负载电阻为60MΩ时，其最大功率密度为15 W m^-2。其次，作者考察了环境中的湿度或水分对HPF-FTENG输出电性能的影响。可以看出聚乙烯封闭处理的HPF-FTENG其输出的电性能不受环境中湿度变化及水处理的影响。

作者研究了施加力的大小、频率对HPF-FTENG输出电性能的影响（图4）。当频率一致时，输出的V_oc和I_sc随着施加力的大小增加和增加；当施加力的大小一致时，输出的V_oc (~300 V)的大小不受施加力的频率变化影响，而I_sc则随着施加力的频率增大而增大。这是由于压缩频率增加导致外部负载中电荷流量的增加。这就产生了高输出电流的HPF-FTENG。与此同时，在HPF-FTENG电极之间转移的总电荷保持恒定，这使得它们之间的电势恒定。因此，在不同的压缩频率下，HPF-FTENG的电压没有变化。此外，HPF-FTENG还表现出良好的循环稳定性。

最后作者考察HPF-FTENG的实际应用可能。利用该摩擦纳米发动机电测量了特定标志的低功率小灯，并利用全波整流器将其输出的电信号转变为直流信号，表明了HPF-FTENG可通过收集日常生活中的机械能转化为稳定的电能为便携式移动设备提供动力。

作者通过简单的喷涂工艺，制备了一种环保型、耐潮湿、水下可稳定工作的、造价低廉的HPF-FTENG。其中三层多孔膜显示出较大的表面接触面积（46.724µm），相应的HPF-FTENG在一定的压力（~3.5 N、5 Hz）下，其电性能优异，可输出电压、电流、功率密度值分别为~300 V、~30 µA、15 W m^-2。

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.0c00635

Sontyana Adonijah Graham, Bhaskar Dudem, Harishkumarreddy Patnam, Anki Reddy Mule, and Jae Su Yu. Integrated design of highly-porous cellulose loaded polymer-based triboelectric films towards flexible, humidity resistant, and sustainable mechanical energy harvesters. ACS Energy Letters. 10.1021/acsenergylett.0c00635