【材制·视角】 摩擦纳米发电机

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各位看官小时候是否看过神奇宝贝

emmm对，就是只会“皮卡~皮卡~”和“皮卡~丘~”的皮卡丘今天我们讲的就是一种可以使“人人变成皮卡丘，人人变成充电宝”的一个发明——摩擦纳米发电机。

所以什么是纳米发电机呢

摩擦纳米发电机是纳米级能量收集器，当两种不同的纳米材料相互摩擦时，它们可以发电。摩擦作用是由机械能提供的，因此摩擦纳米发电机是机械到电能的转换器。

　　摩擦纳米发电机的材料主要为氧化锌，氧化锌具有半导体和压电的双效应，其中肖特基势垒（肖特基势垒是指具有整流特性的金属-半导体界面，就如同二极管具有整流特性）保证了氧化锌的可以向外输出单向电流的能力，因为半导体与金属接触时，氧化锌的电子逸出功小于铂电极，电子从氧化锌流入探针（铂电极），氧化锌显示正电，形成了类似于PN结的形式。另外提一句PN结，采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区称为PN结。

　　当外界电场方向从铂电极到氧化锌，内部电子可以流动，输出电流。氧化锌线弯曲时会产生两侧的电势，由于氧离子与锌离子相对移动，导致在压缩的地方显示负电，在拉伸的地方显示正电，铂探针可以看作零电势。只有探针放在压缩的一侧时，产生的电势差显示正电，相当于PN被导通，在外电路产生电流。反之，相当于PN结的反向饱和电流，电流较小，不能产生电压输出。

分类：摩擦纳米发电机有四种形式：

（1）接触-分离模式（Contact-Separation Mode）

（2）水平滑动模式（Lateral Sliding Mode）

（3）单电极模式（Single-Electrode Mode）

（4）独立层模式（Freestanding Triboelectric-Layer Mode）

所以问题来了，摩擦纳米发电机的能量来自哪里？

　　既然是摩擦纳米发电机，肯定只要能摩擦，就会发电，摩擦纳米发电机（TENG）能够将各种形式的机械能转换成电能或电信号，实现能源的转换和收集。

接下来我们重点介绍摩擦纳米发电机的应用

摩擦纳米发电机的应用

一．振动能的收集

　　目前摩擦纳米发电机收集的振动能用于发电比较困难，但也有很大的应用，如在汽车尾气方面，可以利用振动能产生的电场吸附汽车尾气，从而减少pm2.5的排放，如下图所示

二、风能的收集

       提到风能，我们就能想到大风车，但大风车（风力发电机）也有弊端，因为风力发电机的本质还是利用发电机的原理，将机械能转化为电能，所以过程中将产生大量的热，加剧了全球变暖，纳米发电机可以解决这些弊端。（上图所示，只要微风拂过，房顶上的纳米材料就会摆动，机械能就可以无污染地转化为电能）

三：海洋能的收集

　　海洋中有无数的资源，矿产，始终翻滚的海浪，也可以带来无穷的能源，想象下图的纳米球成千上万的覆盖在海面上，海水的流动将带动纳米球的运动，海浪将拍打着纳米板，那将是24小时的无污染的能源。

四：人体运动能源的收集

　　纳米材料的好处，就在于材料的的便捷性，可以是像布一样的柔软材料，所以可以贴敷在衣服上或放在鞋里当鞋垫，也就是说，平常走路，跑步的能量都可以收集，以后的世界，每个人都将是移动的充电宝.

　摩擦发电机输出功率密度已从最初的每平方米仅3.67毫瓦，提高到最高每平方米500瓦。据王中林教授介绍，他的科研团队还成功克服了摩擦发电机输出电流小、电压高、难以直接给用电器有效充电的缺陷，将输出电流提高到3毫安，最高平均稳定输出功率达1.5瓦，实现对小型电器实时供电。虽然摩擦纳米发电机尚停留在理论研究阶段，但或许不久的将来，你只要正常走路，安在你鞋里的摩擦发电机就能随时为你自己随身携带的手机充电，该研究成果不仅让人们看到摩擦发电机正迅速迈向产业化，更有望从微小能源领域跻身于大规模应用的绿色新能源之列。纳米发电机原理上是成立的，并且已经有了初步的器件，而且器件的效率在逐步提高。它和我们传统意义上的发电机完全不同，它们不能互相取代。由于现在器件纳米化、小型化、自动化的趋势，纳米发电机的应用前景必然十分广泛。

参考文献：

1、《先进材料》

2、搜狐百科词条https://baike.sogou.com/m/fullLemma?lid=9320073&fromTitle=%E7%BA%B3%E7%B1%B3%E5%8F%91%E7%94%B5%E6%9C%BA&rcer=QNz_akmo1hXgwB2Tohttps://baike.sogou.com/m/fullLemma?lid=9320073&fromTitle=%E7%BA%B3%E7%B1%B3%E5%8F%91%E7%94%B5%E6%9C%BA&rcer=QNz_akmo1hXgwB2To

撰 稿 人：科技协会科创部　　　 杨育斌　马浩然

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