近日，重庆大学物理学院王雪副教授课题组在《Advanced Materials》期刊上发表了题为“一种综合集成和协同利用摩擦起电、静电感应和静电放电的双功能摩擦纳米发电机以实现交/直流可切换输出”(A Dual-functional Triboelectric Nanogenerator Based on the Comprehensive Integration and Synergetic Utilization of Triboelectrification, Electrostatic Induction and Electrostatic Discharge to Achieve AC/DC Convertible Outputs) 的研究论文。该工作全部在重庆大学完成，重庆大学为唯一通讯单位，物理学院博士生曾启煊为第一作者，物理学院王雪副教授为通讯作者。
随着物联网时代的到来，广泛分布的传感节点面临着严峻的供能挑战。近年来，摩擦纳米发电机（TENG）以其简单的工作原理和灵活的器件结构在环境高熵能量（如：风能、波浪能、人体运动机械能，等）收集转换方面体现出独特的优势。传统的TENG可以分为两大类：交流TENG和直流TENG，它们分别通过摩擦起电、静电感应和静电放电这三种物理效应的成对耦合来实现。然而，如何在单个器件中综合利用这三种效应来实现机械能到电能的转换始终面临困难。可以预见的是，充分利用这三种效应可能会产生新的能量转换机制和一种同时具备交流/直流TENG优点的输出模型。
针对以上问题，王雪副教授课题组首次在单个器件中实现了摩擦起电、静电感应和静电放电三种物理效应的协同利用，实现了双功能的TENG(DF-TENG)。与传统TENG不同的是，摩擦起电和静电放电的耦合实现了DF-TENG两摩擦层之间连续的电荷循环，而静电感应则促进了外部电路中的电荷转移。有趣的是，DF-TENG在来回往复运动的情况下会产生方波状的交流输出，而在单向运动时则会产生一个恒定的直流输出。此外，这种新的能量转换模型对摩擦材料的选择没有严格要求，聚合物、织物和半导体都可以作为摩擦材料。与此同时，DF-TENG的恒定电流密度和功率密度分别达到了1.51 mA m-2 Hz-1和398 mW m-2 Hz-1，是目前报道的恒流输出TENG的最高记录。鉴于其稳定的输出性能，DF-TENG可以当作理想的恒流源，即使在外部阻抗高达100 MΩ的情况下，其电流值也只下降了0.4%。这项工作不仅提供了实现AC/ DC可切换输出的新策略，而且还展示了扩展TENG设计理念的巨大潜力。
该研究得到国家自然科学基金、重庆市自然科学基金、重庆市研究生科研创新项目等基金的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.202208139
图示：DF-TENG的设计理念：A) 摩擦起电和静电感应耦合实现了传统AC-TENG； B) 摩擦起电和静电放电耦合实现了传统DC-TENG；C) 协同利用摩擦起电、静电放电和静电感应实现了AC/ DC可切换输出模型—DF-TENG。
