原标题：内蒙古科技大学郝喜红教授团队在摩擦电纳米发电机方面的研究进展
近年来，可穿戴和便携式电子产品呈现出快速增长。它们在物联网(IoT)、无线传感器系统、健康监测、个人机界面、智能皮肤等领域得到了广泛应用。这些电子器件在实际应用中对电源具有较高的要求。作为一种可持续的能源，TENG具有许多优点，包括柔性结构、重量轻、环境友好、成本相对较低，以及通过将生物机械能转化为电能驱动低功率电子设备的能力。近年来，提高其性能的途径主要集中在材料使用和表面改性方面。静电纺丝技术又是如何改善摩擦电纳米发电机的输出性能呢？本文梳理了内蒙古科技大学郝喜红教授团队在摩擦电纳米发电机方面的研究进展，或许会让你有更多科研ideas。
1. Journal of Materials Chemistry A：自组装心脏结构的静电纺聚偏氟乙烯纤维制备大功率可穿戴摩擦电纳米发电机
这项研究介绍了一种基于微纳米纤维的高性能可穿戴摩擦电纳米发电机。在静电纺聚偏氟乙烯(PVDF)纤维基摩擦负极层上设计并自组装三维二级心脏状结构，该结构可与摩擦负极层上的凹陷多孔和沟槽状结构相匹配。HMN-TENG可分别提供高达1063 V的电压、97 mA/m2的电流密度和14.8/W m2功率密度输出。高输出源于心脏状结构和多孔结构的联合效应，通过其高表面粗糙度和“咬合效应”扩大了有效接触面积。
此外，通过驱动595个发光二极管(LED)、一个科学计算器和一个计时器，验证了HMN-TENG的实用性。通过比较洗涤十次前后的电压，以及浸泡一周的时间，验证了其可洗性。该设计为提高可穿戴TENG的性能提供了解决方案，是一种简单而经济的技术。相关研究成果以“A high-power wearable triboelectric nanogenerator prepared from self-assembled electrospun poly(vinylidene fluoride) fibers with a heart-like structure”为题目发表于期刊《Journal of Materials Chemistry A》上。
2. Nano Energy：仿生疏水/多孔/亲水PVDF毡基摩擦电纳米发电机
通过简单的自组装多孔结构的创建，设计了一种仿生Trimurti聚偏二氟乙烯(PVDF)摩擦材料，具有卓越的电气性能，在高环境湿度下的优异输出稳定性，以及在出汗条件下增加使用舒适性。Trimurti PVDF毡的内部、上表面和下表面分别组装了纳米多孔松质骨状、疏水莲叶状和亲水根木质部状结构，使所制备的Trimurti摩擦电纳米发电机(T-TENG)在不同的应用环境中具有出色的电气性能和可用性。
T-TENG具有10.6Wm−2的高功率密度，可以直接驱动714个发光二极管和小型电子器件。在相对湿度为85%时，T-TENG的性能保持率可达22%。在模拟出汗条件下，Trimurti PVDF毡可以将汗液吸收到其底部区域，加速汗液的蒸发。该工作以“Bio-inspired hydrophobic/cancellous/hydrophilic Trimurti PVDF mat-based wearable triboelectric nanogenerator designed by self-assembly of electropore- creating”为题目发表于期刊《Nano Energy》上。
3. Nanotechnology：仿生超疏水纳米孔纤维制造的高性能摩擦电纳米发电机，提高了输出稳定性
作者首次 设计了一种具有内部纳米孔、粗糙表面纳米结构和超疏水性的仿生叶柄状微米纤维摩擦材料，该材料使用了非常简单、超低浪费和高效的单组分静电纺丝工艺。叶柄状结构和超疏水性赋予组装的摩擦电纳米发电机(PMF-TENG)优异的电性能和在潮湿条件下优越的输出稳定性。
具有56.9 W m-2的高功率密度和2209 V的峰值输出电压，优化后的PMF-TENG不仅可以用作生物机械能收集器，直接驱动833个发光二极管和小型电子设备，还可以作为自供电传感器来检测身体的动作。
此外，在80%的相对湿度下，优化后的PMF-TENG的输出保留率分别比传统光滑的固体纳米纤维基摩擦材料和整体纳米孔摩擦材料基TENG的输出保留率高1.7倍和2.2倍。该工作以“A high-performance triboelectric nanogenerator with improved output stability by construction of biomimetic superhydrophobic nanoporous fibers”为题目发表于期刊《Nanotechnology》上。
4. Nano Energy：借助耦合效应和超疏水表面同时提高摩擦电纳米发电机的输出性能和输出保持率
作者利用一种有机-无机复合材料和简单的自组装静电纺丝技术实现了基于多效应内层和超疏水外层的高电输出和输出保持率。由聚酰亚胺(PI)和0.85Na0.5Bi0.5TiO3-0.15SrTiO3 (NBT-15ST)陶瓷粒子(CPs)组成的内层通过耦合电荷存储效应和电滞极化，显著提高了器件的电性能。
在最大瞬时力为50N时，器件输出电压为1020V，电流密度为32.5μA cm2。同时，具有新型仿生多层结构的超疏水外层，使器件在较高的相对湿度为80%的情况下，输出保留率达到50%。该工作以“Enhancing output performances and output retention rates of triboelectric nanogenerators via a design of composite inner-layers with coupling effect and self-assembled outer-layers with superhydrophobicity”为题目发表于期刊《Nano Energy》上。
5. Nano Energy ：通过大极化差值效应提高摩擦电纳米发电机的输出性能
利用无机铁电陶瓷是提高摩擦电纳米发电机(TENGs)输出性能的有效途径。然而，铁电陶瓷产生的大剩余极化会在电极上留下部分电荷，这限制了TENGs的性能提升及其在能量收集和自供电传感方面的应用。在此，提出了利用极化差大的反铁电陶瓷实现对无机陶瓷介质极化的绝对利用，从而显著提高无机陶瓷性能的设想。反铁电陶瓷几乎零剩余极化和大最大极化的特点与TENGs的工作循环机制完美匹配，使极化诱导的电荷都能流过外部电路。
基于这一概念，研制了具有高极化差的理想柔性pb0.94 la0.04 zr0.98 ti0.03 o3 (PLZT)反铁电陶瓷内层，并组装成摩擦电纳米发电机(PLZT- TENG)。PLZT-TENG表现出了13.5 nC cm–2出色输出性能，与采用PbZr0.52Ti0.48O3 (PZT)铁电陶瓷内层的TENG相比，提高了1.6倍。该工作以“Enhancing output performance of triboelectric nanogenerator via large polarization difference effect”为题目发表于期刊《Nano Energy》上。
作者简介
郝喜红，男，1979年10月生，内蒙古察右后期人，中共党员，博士，教授，博士生导师。硕士现任内蒙古科技大学材料与冶金学院党总支书记，内蒙古自治区铁电新能源材料与器件重点实验室主任，中国仪表功能材料学会电子元件关键材料与技术专业委员会常务委员，先后荣获教育部“新世纪优秀人才”、内蒙古“草原英才“、内蒙古“321人才一层次”、内蒙古“青年科技英才领军人才”及包头市“5512领军人才“等称号。
郝喜红教授的主要研究领域为：铁电及反铁电材料的储能行为、电卡致冷效应及能量收集性能的基础研究。承担国家自然科学基金、国家科技部973前期项目、教育部“新世纪优秀人才计划”、内蒙古科技创新引导计划、内蒙古“科技英才”计划及其他省部级科研项目30余项，获省部级成果奖1项，申请国家发明专利31项（授权10项目）。
目前在国内外相关期刊Progressin Materials Science（IF=31）、Chemical Communications、ACSApplied Materials & Interfaces、Journal of Materials Chemistry C、Applied Physics Letter、Journal of Applied Physics、Journalof the American Ceramic Society及Journal of Physics D: Applied Physics等发表学术论文110余篇，被SCI、EI收录100余篇。
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