中国科学院北京纳米能源与系统研究所陈翔宇研究员课题组近年来工作概览

研究员简介：

陈翔宇，中国科学院纳米能源与系统研究所青年研究员、博士生导师，2007年获清华大学电机系工学学士学位，2010年分别在清华大学材料系和东京工业大学电子物理系获得工学双硕士学位，2013年获东京工业大学电子物理博士学位；2013年加入苏州大学功能纳米及软物质研究院，担任副教授；2014年调职到中国科学院北京纳米能源与系统研究所，加入王中林院士的研究团队（课题组网站：http://www.binn.cas.cn/ktz/wzlyjz/yjtdwzl/  ）；2017年在王中林院士的支持下领导独立课题组。陈翔宇破格入选北京市第十一批“海聚工程”，受聘为北京市特聘专家，入选2017年北京市青年拔尖人才；主要从事聚合物功能材料及纳米能源器件的相关研究，包括有机光伏电池、介电弹性体器件、微流控器件、可穿戴传感器件、自驱动光催化材料等方向，在Materials Today、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy、Science Advances 等杂志发表SCI学术论文70余篇，其中影响因子大于12的第一作者和通讯作者文章15篇。陈翔宇目前作为项目负责人主持国家自然科学基金的青年基金和面上基金两项、北京市高创计划项目、纳米能源所科研支持经费（70万/年）；作为骨干成员参与国家重点研发计划“纳米科技”重点专项、北京市重点和前沿项目等重大研究课题。

陈翔宇研究员及其团队近年来所取得的代表性成果如下：

（一）基于纳米发电机和智能化材料的自驱动微纳米系统

纳米发电机可以将环境中的机械能瞬时转化为电能，其输出能量不仅可以为自驱动系统提供驱动能源，也可以作为调控信号实现直接的人机交互。将多种智能响应材料和微纳米机电系统与纳米发电机结合可以有效地实现具有多种功能、并适用于不同场景的自驱动系统。该课题组实现的代表性工作如下：

介电弹性体和纳米发电机结合实现的弹性驱动系统

介电弹性体是具有优异性能的人工肌肉致动器材料，但其工作需要高驱动电压。通过使用摩擦纳米发电机（TENG）的高输出电压直接驱动薄膜介电弹性体致动器（DEA），陈翔宇研究组展示一种自供电的介电弹性体驱动系统，利用最基础的单电极TENG，可以驱动DEA产生15%以上的形变，并且保持在前30-40秒不超过10%的衰减（Adv. Funct. Mater., 2016, 26, 4906），其驱动性能还有很大的提升空间。之后，他们制备了透光度在80%以上的可用于驱动DEA器件的银纳米线电极，并由此实现了TENG驱动的电致发光器件以及调控光学散射的调制器（Adv. Funct. Mater., 2017, 27, 1603788）（图1）。同时，利用水凝胶电极和纳米颗粒拓印技术与DEA结合，他们还实现了弹性可变光栅器件，可以开拓TENG在光通讯和光谱调节方向的应用（Nano Energy, 2017, 38, 91）。

图1.（a）基于TENG-DEA系统的摩擦电可调谐智能光调制器示意图，其中弹性膜的透射率可以通过接触分离运动来控制；（b）弹性膜的不透明度变化，通过TENG的接触分离运动控制其透明度；（c）基于TENG和水凝胶电极的弹性光栅；（d）光栅形变导致衍射性能变化。

静电能量驱动的微流控器件

通过集成摩擦纳米发电机（TENG）和微流控技术，陈翔宇研究团队设计了两种自驱动的微流控系统，用于操纵微流体和微小固体物体的运动（图2）。TENG的摩擦运动可以用作驱动功率和控制信号。在TENG的驱动下，最小体积液滴可以达到70～80 nL，并可在水平面和垂直面上移。其可以驱动最大负荷500毫克的微型车，可控速度可达1米/秒，表现出了出色的操控能力。这种系统与光控亲疏水转化材料结合还可以实现微尺度液滴的图案化。提出的自供电传输技术微固体/液体机械手、药物传递系统、微型机器人和人机交互领域具有广阔的应用前景。相关工作发表在Adv. Funct. Mater.（Adv. Funct. Mater., 2017, 27, 1606408）和ACS Nano（ACS Nano, 2018, 12, 1491）上。

图2. 自驱动静电驱动系统操纵微流体的示意图；（a）基于单电极模式TENG的静电驱动系统驱动水滴运动的示意图；（b）控制液滴聚合的定位反应器；（c）利用液滴实现毫米尺度的微型运输车，TENG可以自由操作微型运输车的移动；（d）TENG可以控制纳升级别的液滴翻越台阶；（e）光控亲疏水转换材料；（f）TENG驱动的液滴图案化。

可穿戴传感器件

可穿戴电子产品的轻量化和高柔性要求相关的能量收集装置具有超薄的厚度和高拉伸性。基于可穿戴传感器件的研究，陈翔宇研究团队提出了一种可作为人体第二皮肤的弹性TENG器件（图3）。这种TENG的总厚度约102 μm，器件可在100%的应变下持久工作。他们将碳脂涂在弹性体膜表面作为可拉伸电极，从而实现对电极的精细几何控制。这种弹性薄膜TENG器件甚至可以在人的手指上工作而不会干扰身体的运动。同时，基于碳掺杂的全弹性电极材料，他们首次实现了TENG器件对切向力的传感检测，可检测范围从大小为0.5到40 N的力和来自不同施加方向的切向力。这些自驱动的触觉传感器研究与工业机器人、人机交互、智能设备的应用具有很好的适用性。相关工作发表在Small（Small, 2017, 13, 1702929）和Adv. Funct. Mater.（Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1802989）上。

图3.（a）弹性TENG的基本结构与附着在人手上的照片；（b）弹性碳脂电极电阻随拉伸率变化的照片；（c）电极导电性（电阻）随拉伸率的变化；（d）可拉伸电极弹性应变的单轴拉伸试验，应变可达450%。

自驱动光催化材料及应用研究

在能源和环境领域，利用可持续太阳能进行光催化降解有机污染物具有很大的潜力。陈翔宇课题组与合作伙伴报道了利用生长于三维（3D）结构Ni泡沫衬底上的ZnO纳米棒阵列，通过压电增强光催化活性手段提高光催化在废水中降解有机污染物的效率。当溶液通过磁旋转搅拌时，三维网络中产生独特的大孔结构内流体漩涡，导致ZnO纳米棒阵列变形，产生压电场。同时，紫外光照射ZnO半导体产生光电子和空穴，随后开始光催化降解废水中的有机染料污染物（图4）。压电偏置电压促进了光电子和空穴的分离，从而抑制其复合，导致量子效率提高。相关工作发表在Materials Today（Materials Today, 2017, 20, 501）上。此外，结合摩擦电纳米发电机的研究和光催化技术，陈翔宇研究团队也展示了一种具有增强光催化、加速降解甲醛和自供电静电过滤双重功效污染气体的净化手段（ACS Nano, 2017, 11, 12411）。

图4. ZnO纳米线阵列/Ni泡沫的压电场与光催化的协同效应。

（二）纳米能源器件的界面物理特性解析

陈翔宇研究团队针对TENG的运行机理分析、聚合物材料接触起电现象的实验表征研究以及与接触起电相关的一些物理现象进行了系统的解析，详细研究了一些与聚合物接触起电相关的物理现象，例如铁电材料在静电场中的自发极化现象（Adv. Funct. Mater., 2015, 25, 739）、接触起电产生的电场发射现象（Appl. Phys. Lett., 2015, 107, 114103）以及钙钛矿薄膜表面电荷传导路径的表征（Adv. Funct. Mater., 2016, 26, 3048），还首次提出了将二次谐波发生技术应用于接触起电现象的实验方法（Sci. Rep., 2015, 5, 13019）。此外，针对TENG特殊的输出特性，陈翔宇及其合作伙伴进行了三维尺度的有限元仿真模拟和理论计算，建立了可供性能优化设计使用的理论模型（Adv. Funct. Mater., 2015, 25, 2928）（图5），总结了通用的理论分析方法以及数值分析程序，可以模拟任意结构TENG的输出特性，并能有效指导结构优化的工作（Nano Energy, 2015, 12, 760）。

图5. 纳米摩擦发电机的仿真模型与性能模拟。

以上内容为陈翔宇研究员课题组近年来一些代表性的工作成果，其它更多详细的信息欢迎发送邮件至chenxiangyu@binn.cas.cn进一步讨论。此外，该课题组欢迎有志于科研，并对其研究方向感兴趣的同学联系报考硕士/博士。同时，课题组设有博士后、助研和副研等岗位，期待志同道合的研究人员加入。

课题组主要老师和合作老师合影