摩擦奈米发电机
摩擦奈米发电机 （Triboelectric Nanogenerator, TENG），又称奈米摩擦发电机，是一种基于摩擦起电效应与静电感应原理的机械能转换技术[1]。由美国乔治亚理工学院的王中林团队于2012年首次提出。[2][3]
技术起源与发展背景
[编辑]摩擦起电效应早在古希腊时期就已被发现，然此效应通常被认为是负面效应。在十八世纪，科学家开始系统性地研究这一现象，并建立了“摩擦序列表”[2]。其中，王中林团队在研究氧化锌奈米线的压电效应时，试图透过机械变形产生电能，却偶然发现意料之外的电信号[4]。进一步分析，发现这些电信号并非来自压电效应，而是源自材料接触分离的摩擦静电荷[5]，推翻过去摩擦起电效应仅是表面局面效应的认知[6]，经过团队一年的研究后，并于2012年首次提出，将宏观摩擦电效应与奈米结构结合[7][8]，实现机械能转换成电能的高效转换。[9][10]
工作原理
[编辑]摩擦起电效应
[编辑]两种不同材料接触后分离，因电子亲合能不同，电子转移在表面形成静电荷。
静电感应
[编辑]带电材料分离产生电位差，驱动外部电路的电子流动，以交流电输出。[11]
四种工作模式
[编辑]垂直接触分离式（CS模式，Vertical Contact-Separation Mode）
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利用材料之间垂直方向的反复接触与分离，产生周期性的电位变化，常用于压缩释放运动中。当两种不同材料的摩擦层相互接触时，由于摩擦起电效应，材料表面会产生电子转移。一种材料带正电荷，另一种材料带负电荷。当两个摩擦层开始分离时，由于电荷守恒定律，它们的表面会带有相反的电荷，在两个电极之间会产生电位差。当外部电路连接到两个电极时，为了平衡电位差，电荷会在外电路中流动，形成电流脉冲。当摩擦层再次接触时，电荷会流回，形成反向电流脉冲。透过周期性的电位变化，持续产生交流电输出。
水平滑动式（LS模式，Lateral Sliding Mode）
[编辑]利用材料横向滑动产生电荷，适合旋转或线性运动的机械能收集。当两个摩擦层在水平方向上相互滑动摩擦时，会持续产生摩擦起电效应，导致电荷在材料表面累积。由于摩擦层带有电荷，在电极上产生静电感应。当滑动方向改变时，感应电荷的极性也随之改变，造成电位差变化。持续产生交流电输出。
单电极式（SE模式，Single-Electrode Mode）
[编辑]仅需单一电极，以接地电极为参考电位，适用于自由移动物体的能量收集。摩擦层与物体摩擦时产生电荷，当带电荷的摩擦层靠近或远离接地电极时，会在其上感应出相反极性的电荷。当摩擦层运动时，接地电极上的感应电荷会不断变化，导致电荷在外部电路中流动，产生电流。
自由摩擦层式（FT模式，Freestanding Triboelectric-Layer Mode）
[编辑]此模式利用一对对称的导电电极，当物体自由移动改变相对位置时形成不对称电荷分布，从而产生电流。两个摩擦层相互摩擦时，各自带上相反的电荷。由于两个摩擦层都是独立的，电荷可以在它们之间自由转移。当它们相对运动时，电荷会在两个摩擦层之间来回流动。 在摩擦层背面连接的电极上，会因电荷的流动而产生电流。持续产生交流电输出。[2][7][12]
应用领域
[编辑]摩擦奈米发电机可输出高达10千伏的电压，适用于高压电源或驱动低功耗设备[13]；能将机械讯号转换为电讯号，应用于风速感测、人体动作监测等，与物联网连用[7][14]；利用波浪能驱动浮筒结构，结合齿轮与凸轮机构实现摩擦材料周期性接触分离[15]
相关条目
[编辑]参考资料
[编辑]- ^ 被電到了! 靜電靈感催生"摩擦奈米發電機" ｜ 公視新聞網 PNN. 公视新闻网 PNN. 2018-01-10 [2025-02-16] （中文（繁体））.
- ^ 2.0 2.1 2.2 物理双月刊,Bonnie. 摩擦起電效應不再惱人－摩擦奈米發電機的誕生與演化 - 物理專文 - 新聞訊息 - 物理雙月刊. pb.ps-taiwan.org. [2025-02-16] （中文（台湾））.
- ^ Choi, Dongwhi; Lee, Younghoon; Lin, Zong-Hong; Cho, Sumin; Kim, Miso; Ao, Chi Kit; Soh, Siowling; Sohn, Changwan; Jeong, Chang Kyu; Lee, Jeongwan; Lee, Minbaek. Recent Advances in Triboelectric Nanogenerators: From Technological Progress to Commercial Applications. ACS Nano. 2023-06-27, 17 (12). ISSN 1936-0851. PMC 10312207
. PMID 37219021. doi:10.1021/acsnano.2c12458.
- ^ News Center Features | Georgia Institute of Technology. news.gatech.edu. [2025-02-16].
- ^ Kim, Weon-Guk; Kim, Do-Wan; Tcho, Il-Woong; Kim, Jin-Ki; Kim, Moon-Seok; Choi, Yang-Kyu. Triboelectric Nanogenerator: Structure, Mechanism, and Applications. ACS Nano. 2021-01-26, 15 (1). ISSN 1936-0851. doi:10.1021/acsnano.0c09803.
- ^ Shin, Eui-Cheol; Ko, Jae-Hyeon; Lyeo, Ho-Ki; Kim, Yong-Hyun. Derivation of a governing rule in triboelectric charging and series from thermoelectricity. Physical Review Research. 2022-05-17, 4 (2). doi:10.1103/PhysRevResearch.4.023131.
- ^ 7.0 7.1 7.2 Wayback Machine (PDF). mse.mcut.edu.tw. [2025-02-16].
- ^ Zhang, Nannan; Cheng, Zihang; Liu, Dongsheng; Gao, Zihao; Mao, Yupeng. Advancements in triboelectric nanogenerator applications for health monitoring. AIP Advances. 2024-10-10, 14 (10). ISSN 2158-3226. doi:10.1063/5.0227686.
- ^ 衣服摩擦可發電！興大研究登國際期刊 | IDCSA, NCHU. idcsa.nchu.edu.tw. [2025-02-16].
- ^ Zhu, Guang; Peng, Bai; Chen, Jun; Jing, Qingshen; Lin Wang, Zhong. Triboelectric nanogenerators as a new energy technology: From fundamentals, devices, to applications. Nano Energy. Special issue on the 2nd International Conference on Nanogenerators and Piezotronics (NGPT 2014). 2015-05-01, 14. ISSN 2211-2855. doi:10.1016/j.nanoen.2014.11.050.
- ^ 摩擦电纳米发电机的理论系统,Nano Energy - X-MOL. www.x-mol.com. [2025-02-16] （中文（中国大陆））.
- ^ 科技导报. 摩擦纳米发电机基础研究和技术创新进展 | 科技导报_手机网易网. www.163.com. 2023-10-26 [2025-02-16] （英语）.
- ^ 综述：摩擦纳米发电机最新进展：从技术进步到产业化应用_发展_方向. www.sohu.com. [2025-02-16].
- ^ 智能感測奈米發電機：材料世界網. 材料世界网. [2025-02-16].
- ^ Wayback Machine (PDF). mse.mcut.edu.tw. [2025-02-16].
