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仿生全电流纳米发电机：像电鳐一般可控释放“电击”！

【研究背景】

随着以新兴物联网(IoT)为代表的智能时代的到来，单纯利用传统的低熵能源和电池技术很难满足对分布式能源大量、无线、清洁、可持续的严苛要求。水运动在地球上无处不在，但大多数在自然界中以高熵能源的形式存在。在物联网时代，从环境中捕捉这种高熵水能(如雨滴能)的策略极具吸引力。目前，基于位移电流纳米发电机（DCNG）的纳米能源系统面临着高效率与复杂性的难以调和的内在矛盾。这是因为经典的纳米发电机通常采用位移电流作为驱动力从而输出交流电，因此将不可避免地面临复杂电源管理问题，从而导致能量采集系统体积庞大、效率低下、成本高昂。为了克服这一难题，我们需要跳出DCNG设计理念的束缚，从问题的源头——电流的固有属性出发对纳米发电机的理论和设计做出一些新的思考。

在本课题组前期研究工作(J. Dong, Q. L. Song* et. al, Nano Energy, 2021, 90: 106567)中，我们基于时空电荷分离（Spatiotemporal Charge Separation）原理，首次构建了具有独特水电荷梭（Water Charge Shuttle）架构的直流液滴纳米发电机平台。在此研究基础之上，受电鳐发电机理的启发，我们研制了一种基于固液接触起电的高性能阵列化液滴纳米发电机，并揭示了该类纳米发电机实现时空电荷分离原理背后的物理学本质：以麦克斯韦-安培定律为理论基础，该发电机利用位移电流和传导电流共同作为驱动力，无需外部整流器即可直接输出高压直流电。这个新概念器件被定义为全电流纳米发电机（Total Current Nanogenerator）。

【文章简介】

近日，宋群梁教授课题组与重庆大学郭恒宇教授合作，在国际知名期刊Energy & Environmental Science上发表题为“A bio-inspired total current nanogenerator”的研究文章。该工作受到电鳐启发，研制了一种高性能直流液滴纳米发电机。不同于经典的位移电流纳米发电机，该纳米发电机利用位移电流和传导电流共同作为驱动力，无需整流器即可输出高压直流电。这个新概念器件被定义为全电流纳米发电机，它具有紧凑阵列架构、高压直流输出、可控能量释放等特点，成功实现了如同电鳐一般瞬间释放“高压电击”的这一能力。由于该纳米发电机的输出电压高达3000伏，一次放电足以点亮1260多盏高亮LED，展示了其无与伦比的高熵水能采集能力。本研究提出的全电流纳米发电机有可能同时满足高性能、小型化、低成本、长寿命的应用要求，这将极大地促进分布式水能收集的实际应用。同时，该工作为基于固液接触起电的TENG理论和技术提供了新的见解，有望促进纳米发电机从器件级到系统级的研究范式转变。更重要的是，这项工作中提出的全电流概念并不局限于TENG，而是可以扩展到更广泛的能量采集器件，从而有可能在未来创造新的能量采集技术。

图1：电鳐启发的固液全电流纳米发电机架构设计与应用

图2：基于位移电流和全电流纳米发电机的纳米能源系统对比以及TC-TENG的输出性能演示。

该论文第一作者为学院2019级博士研究生董君，通讯作者为学院宋群梁教授和重庆大学物理学院郭恒宇教授。该研究受到国家自然科学基金面上项目、重庆市自然科学基金面上项目等项目的资助。

西南大学宋群教授梁课题组：https://www.x-mol.com/groups/qunliangsong

【文章链接】

J. Dong, L. Zhu, P. Guo, C. Xu, X. Zhao, S. Yang, X. He, G. Zhou, G. Ma, H. Guo*, C. Hu, Q. L. Song*. A bio-inspired total current nanogenerator. Energy & Environmental science, 2023, DOI:10.1039/D2EE02621J., https://doi.org/10.1039/D2EE02621J。