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  摩擦伏特納米發(fā)電機(jī)(TVNG)具有高直流電密度、低阻抗和連續(xù)輸出等性能，為小型電子設(shè)備的供能問題提供了新的解決思路。然而，摩擦界面磨損會(huì)導(dǎo)致摩擦伏特納米發(fā)電機(jī)的電流密度快速衰減，如何實(shí)現(xiàn)高電流密度輸出并提高其使用壽命是摩擦伏特納米發(fā)電機(jī)實(shí)際應(yīng)用所面臨的重大挑戰(zhàn)。

圖1 不同類型摩擦伏特納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和輸出性能及其對比

  近期，中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王杰研究員團(tuán)隊(duì)基于摩擦伏特效應(yīng)為原理的直流摩擦伏特納米發(fā)電機(jī)，提出了一種以水性氧化石墨烯作為界面潤滑劑的策略，可以同時(shí)提高摩擦伏特納米發(fā)電機(jī)的直流電密度和壽命，有效的解決了摩擦伏特納米發(fā)電機(jī)磨損嚴(yán)重而不能保持電流密度穩(wěn)定的問題。水性氧化石墨烯具有良好的電學(xué)性能，可以增加金屬滑塊與硅片接觸界面的載流子數(shù)量；另外，水性氧化石墨烯具有潤滑特性，可以減小金屬滑塊與硅片接觸界面的磨損。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，速度、壓力、位移以及水性石墨烯添加量都會(huì)影響水性氧化石墨烯界面潤滑的摩擦伏特納米發(fā)電機(jī)(GWS-TVNG)的輸出性能，其中，GWS-TVNG在速度0.1 m s^-1，位移20 mm，壓力10 N，水性石墨烯添加量為30 μL的實(shí)驗(yàn)條件下，能產(chǎn)生約775 mA m^-2的峰值電流密度輸出，同時(shí)具有31 mC m^-2的超高轉(zhuǎn)移電荷密度。傳統(tǒng)的TVNG在相同的實(shí)驗(yàn)條件下可以產(chǎn)生峰值電流密度輸出為25.5 mA m^-2。因此，與不加潤滑劑的常規(guī)TVNG相比，GWS-TVNG的電流密度提高了30倍。另外，對于沒有潤滑劑的常規(guī)TVNG，在運(yùn)行3,400次后，它只能保持約21%的電力輸出。通過界面潤滑的GWS-TVNG在運(yùn)行30,000次后仍能保持92%~95%的電力輸出。該研究進(jìn)一步加速了TVNG在物聯(lián)網(wǎng)、智能工廠以及傳感器中的實(shí)際應(yīng)用。該工作以“Simultaneously Enhancing Direct-Current Density and Lifetime of Tribovoltaic Nanogenerator via Interface Lubrication”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上， DOI: 10.1002/adfm.202208544。文章第一作者是中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所碩士喬文艷。該研究得到科技部、國家自然科學(xué)基金委和博士后基金委等的經(jīng)費(fèi)支持。

  原文網(wǎng)址：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adfm.202208544