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  近年來，智能電子產(chǎn)品的蓬勃發(fā)展推動了清潔和可持續(xù)電源的發(fā)展。摩擦電納米發(fā)電機(jī)（triboelectric nanogenerators, TENGs），能夠通過電荷轉(zhuǎn)移收集廣泛存在的機(jī)械能，成為一個研究熱點。特別地，多孔結(jié)構(gòu)基TENG，由于其比表面積大、模量低、質(zhì)輕等優(yōu)點，受到了廣泛的關(guān)注。然而，目前研究主要集中在對其輸出性能的改善，對其在多模態(tài)能量收集和傳感、以及智能油水分離等領(lǐng)域的應(yīng)用有待進(jìn)一步探究。

  中國科大龔興龍教授團(tuán)隊通過犧牲模板法，設(shè)計并制備了一種基于磁敏海綿的環(huán)境友好型多功能摩擦電納米發(fā)電機(jī)。該設(shè)計采用單電極模式，由多孔基體和導(dǎo)電聚合物層組成。外界機(jī)械激勵作用的能量可以被TENG有效收集而轉(zhuǎn)化為電能，該研究對外力頻率、幅度和輸出功率等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并在10⁵次循環(huán)中論證了其穩(wěn)定性。基于此，該TENG可以通過電容器儲存電能并驅(qū)動小型電子器件，以及實時監(jiān)測壓力和步態(tài)。同時，基于磁致形變和摩擦發(fā)電的耦合效應(yīng)，該TENG可作為自供電磁場傳感器，且研究人員結(jié)合數(shù)值模擬揭示了這一點。此外，海綿基體的親油疏水性和多孔結(jié)構(gòu)賦予材料良好的油水分離性能，該TENG也表現(xiàn)出理想的磁場驅(qū)動/控制和主動感知特性，展現(xiàn)出用于智能油水分離領(lǐng)域的巨大潛力。

圖1 海綿的制備及其形貌、力學(xué)性能表征

圖2 TENG的工作機(jī)理和輸出性能

圖3 TENG的自供電磁場感知特性

圖4 海綿的油水分離特性

圖5 TENG的油污傳感特性

  綜上，這項研究所開發(fā)的新型TENG既可用于機(jī)械能量收集和主動式磁場感知，也可用于智能油水分離，在可持續(xù)能源、自供電多模傳感器和可控油污處理等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

  以上成果近期以“Functional sponge-based triboelectric nanogenerators with energy harvesting, oil–water separating and multi-mode sensing performance”為題發(fā)表于《Journal of Materials Chemistry A》期刊上（DOI: 10.1039/d0ta12359e）。論文第一作者為中國科大工程科學(xué)學(xué)院碩士研究生劉帥，通訊作者為中國科大工程科學(xué)學(xué)院王勝副研究員和龔興龍教授。

  該研究得到了國家自然科學(xué)基金項目（11802303, 11772320, 11822209, 11972032）、中國科學(xué)院戰(zhàn)略重點研究計劃（XDB22040502）、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實驗室聯(lián)合基金（KY2090000055）、中國科大微納研究與制造中心的資助和支持。

  文章鏈接：Shuai Liu; Fang Yuan; Min Sang; Jianyu Zhou; Junshuo Zhang; Sheng Wang; Jinsong Li; Shouhu Xuan; Xinglong Gong. Functional sponge-based triboelectric nanogenerators with energy harvesting, oil–water separating and multi-mode sensing performance, Journal of Materials Chemistry A, 2021, Journal of Materials Chemistry A, 2021, DOI: 10.1039/d0ta12359e.

  https://doi.org/10.1039/D0TA12359E