厦门大学马来西亚分校《AFM》：纳米发电机方面取得重要进展！

在这个物联网时代，技术的快速发展增加了便携式电子产品和智能传感器在我们日常生活中的使用，从而导致了能源需求的上升。然而，这些微型电子设备仍然依赖电池作为其主要电源。电池含有有害化学物质，由于处置或回收方法不当而造成环境污染。此外，电池的有限寿命要求它们不断充电或更换。因此，开发替代的可持续能源来取代电池是至关重要的。当前有前景的替代方案之一是自供电系统，从环境中获取能量并可持续地提供给这些电子设备。特别是，机械能是丰富的，很容易从我们周围的环境中获得，包括人类运动、机械振动、水流、风等。因此，机械能采集器，即摩擦电纳米发电机(TENG)和压电纳米发电机(PENG)，由于能够有效地收集环境中的机械能并将其转化为电能，近年来受到了极大的关注。

为了弥补单一纳米发电机的缺陷，来自厦门大学马来西亚分校的学者在连续接触-分离循环中，通过协同高的摩擦输出电压和压电输出电流，开发了复合型压电/摩擦电纳米发电机(H-P/TENG)。尤其是压电型氧化锌，由于具有沿c轴择优取向和可调生长结构等优点，得到了广泛的应用。在这种情况下，在H-P/TENG中加入了不同的生长结构、无取向的、取向的和层次化的结构，使其功率密度从6倍提高到17倍。特别是，有取向的氧化锌纳米棒/聚乙烯醇(ZnR)的最大功率密度达到15.9W m⁻²(≈是PVA的17倍)。沿c轴的高度取向的氧化锌生长使垂直压缩时的大变形，随后产生大的压电极化。

此外，利用修正的重叠电子云模型，结合开尔文探针力显微镜的测量，本研究揭示了通过压电极化的增强机制。氧化锌纳米复合材料的极化扩大了两个摩擦电层之间的最高电子能量(ΔE)之差，从而驱动更多的电子在接触带电过程中转移，从而丰富了它们的表面电荷密度。这项工作强调了生长结构控制对于最大化氧化锌的压电响应，从而改善H-P/TENG的输出性能。相关文章以“Modulating ZnO Growth Structures for Maximum Power Output of Hybrid Piezo/Triboelectric Nanogenerator”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202206750

图1. 非定向生长结构的SEM图像：a）氧化锌纳米片（ZnS）和b）氧化锌纳米板（ZnP）；定向生长结构：c）氧化锌纳米线（ZnW）和d）氧化锌纳米棒（ZnR）；分层生长结构：e）花瓣-氧化锌纳米分支（P-ZnB）和f）棒-氧化锌纳米分支（R-ZnB）纳米组合物

图2. ZnO/PVA纳米复合材料（摩擦正电）与硅橡胶（SR）（摩擦负电）作为TENG的示意图。

图3. a）以PVA为参照物，b）无取向（ZnS和ZnP），c）有取向（ZnW和ZnR），以及d）分层生长结构（P-ZnB和R-ZnB）在50 N恒定施力下的开路电压V_oc、短路电流密度J_sc、短路电荷密度Q_sc；e）强制依赖测试和f）ZnO/PVA纳米复合材料在60 N施力下对SR的功率输出

图4.a）拉曼光谱。b）原始PVA和ZnO/PVA纳米复合材料的X射线衍射（XRD）；c）ZnO纳米棒的透射电子显微镜（TEM）图像。d，e）ZnO纳米棒的高分辨率（HRTEM）图像，插图显示相应的FFT图像。

图5：a）六方乌尔兹体ZnO的晶体结构，蓝色球体代表Zn原子，红色球体代表O，黄色棒代表Zn₂-O₁键，黑色棒代表Zn₁-O₁键。c) H-P/TENG通过周期性接触分离过程的工作机制。d) 示意图显示ZnO具有不同的生长结构：无取向、有取向和分层，在施加垂直压缩力时经历不同程度的变形。

图6. 修改后的重叠电子云（OEC）模型阐明了压电极化对三电层之间CE的影响。示意图显示了两个三电层在CE前后的电子云和势能剖面：a）PVA和SR，b）ZnP和SR，c）ZnR和SR，以及d）R-ZnB和SR

图7. 使用COMSOL Multiphysics模拟的a）PVA与SR，b）ZnP与SR，c）ZnR与SR，以及d）R-ZnB与SR的电势分布。

图8.a）由ZnR和SR组成的H-P/TENG对电容的充电行为，电容范围为1至330μF。b）ZnR/SR的H-P/TENG在2Hz和50N下点亮57个LED。

本研究合成并表征了具有不同生长结构的ZnO/PVA纳米复合材料：无取向、有取向和分层结构。本研究证明了不同的氧化锌生长结构对H-P/TENGs的输出性能有重大影响。通过调整氧化锌的生长结构，发现沿极性c轴的方向受到影响。特别是，与原始PVA相比，具有沿c轴高度定向生长结构的ZnR表现出最高的电输出增强，其功率密度达到15.9 W m^-2（≈17倍的增长）。这表明，沿c轴方向的ZnO生长结构在垂直压缩时能够实现高度的Δd，最终改善压电极化。此外，一个修正的OEC模型解释了压电极化引起的增强机制，并得到KPFM结果的支持。加入ZnR后，由于ZnR产生的高压电极化，功函数从5.038 eV下降到4.475 eV。这增加了ZnR纳米复合材料和SR之间的ΔE，促进了CE期间更多的电子转移，增加了它们的表面电荷密度和功率密度。此外，ZnO在PVA中的加入也增加了H-P/TENGs的电势，这一点在COMSOL模拟中得到了证明。总之，这项工作证明，氧化锌的生长结构控制对于提高H-P/TENGs的输出性能至关重要。（文：SSC）