抑制接触起电中热电子发射实现摩擦纳米发电机工作温度的提升

注：文末有研究团队简介 及本文科研思路分析

由于接触起电（摩擦起电）常常会导致放电，曾被认为是一种负面效应。但是，基于接触起电和静电感应，利用麦克斯韦位移电流原理发明的摩擦纳米发电机（Triboelectric nanogenerator，TENG），却可以收集环境中多种形式的动能并转化为电能，展现出了良好的应用前景。

一般认为摩擦起电只在常温下发生，目前几乎所有的TENG也都仅在该温度范围内适用。这就提出了一个有趣的问题，高温下可以产生摩擦起电吗？实验表明在500 K的温度下TENG的电压就会迅速下降，这种下降可能源于高温使得其中的聚合物摩擦电材料表面受到了损伤。研究者在前期研究（Adv. Mater., 2018, 30, 1706790）中制备出了一种不含聚合物的TENG，尽管由于发电量低无法实现真正应用，但是由于其可以承受最高673 K的温度，因此就为揭示高温条件下摩擦起电的机理以及发明具有实用价值的耐高温TENG提供了可能性。如果能够制备出耐高温TENG，将有利于进一步拓展其应用领域，例如可用于地球上的极端高温环境，也可为即将到来的太空及外星探索，提供一种新颖的能源解决思路。

近日，佐治亚理工学院教授、中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士（点击查看介绍）团队开发出了一种能够应用于673 K高温下的TENG，并首次揭示了引入温度效应的普适的接触起电机制。研究人员首先设计并制备了旋转式独立摩擦层模式的TENG，发现其性能在523 K温度后开始下降，结果显示这主要是由于热电子发射效应导致的高温下起电量的下降。因此，要想获得更高温度下的摩擦起电，必须对热电子发射进行抑制。通过预退火方法使两种材料表面直接物理接触，成功实现了热电子发射的抑制，使得该TENG的工作温度提升至673 K。在上述实验基础上，分别提出了高温下接触起电机理的表面态模型（图1）和电子云-势阱模型（图2）。其中，表面态模型可用来解释金属-电介质以及电介质-电介质间的接触起电。电子云-势阱模型则可以解释用能带结构无法描述的两种固体间的接触起电，该模型同时揭示除了热电子发射的影响外，原子热振动也会对接触起电产生影响。

图1 高温条件下解释接触起电机理的表面态模型。a-c）金属和电介质（E_n低于E_F）在接触前、接触时和分开后的电荷转移情况。Φ，金属的功函；E_F，费米能级；E_VAC，真空能级；E_C，导带；E_n, 表面态的中间能级；E_V，价带；d-f）金属和电介质（E_n高于E_F）在接触前、接触时和分开后的电荷转移情况；g-i）两种电介质（前者的E_n高于后者）在接触前、接触时和分开后的电荷转移情况。

图2 高温条件下解释接触起电机理的电子云-势阱模型。a-c）无法简单用能带结构描述的两种固体的两个原子在接触前、接触时和分开后的电荷转移情况；d-f）当两个原子接触距离分别为d₀, d_min和d_max时原子热振动对电荷转移的影响。

这一成果近期发表在Advanced Materials上，文章的共同第一作者为许程副教授、博士研究生王琦、邹海洋和张彬彬。

该论文作者为：Cheng Xu, Aurelia Chi Wang, Haiyang Zou, Binbin Zhang,  Chunli Zhang, Yunlong Zi, Lun Pan, Peihong Wang, Peizhong Feng, Zhiqun Lin,  Zhong Lin Wang

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Raising the Working Temperature of a Triboelectric Nanogenerator by Quenching down Electron Thermionic Emission in Contact-Electrification

Adv. Mater., 2018, 30, 1803968. DOI: 10.1002/adma.201803968

王中林院士简介

王中林：中国科学院外籍院士和欧洲科学院院士，佐治亚理工学院终身校董。佐治亚理工学院终身校董事讲席教授，Hightower终身讲席教授，工学院杰出讲席教授和纳米结构表征中心主任，教育部长江学者讲座教授。中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家和首任所长。王中林院士的开创性工作荣获了多项国际荣誉：美国显微镜学会 1999年巴顿奖章﹐2009年美国陶瓷学会Purdy奖，2011年美国材料学会奖章(MRS Medal), 2012年美国陶瓷学会Edward OrtonMemorial奖,2013 ACS Nano 讲座奖，2014年美国物理学会James C. McGroddy新材料奖，2013中华人民共和国国际科学技术合作奖，2014年佐治亚理工学院杰出教授终身成就奖，2014年NANOSMAT奖，2014年材料领域世界技术奖。王院士是美国物理学会fellow, 美国科学发展协会(AAAS) fellow，美国材料学会 fellow，美国显微学会fellow, 美国陶瓷学会fellow，英国皇家化学学会fellow。2015年9月24日，汤森路透集团（THOMSONREUTERS）发布了2015年度引文桂冠奖（CitationLaureates）获奖名单（诺贝尔奖风向标）。中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家、佐治亚理工学院终身校董事讲席教授王中林院士成为物理学领域获奖人之一，也是该奖项唯一的华人获奖者。今年8月23日至25日在瑞典斯德哥尔摩举行的欧洲先进材料大会上，王中林院士又以在先进材料科学和技术领域所做出杰出的贡献，而荣获2016年度先进材料奖。2018年，王中林院士荣获世界能源领域“诺贝尔奖”—埃尼奖（Eni Award）。

王中林院士是国际公认的纳米科技领域领军人物。在一维氧化物纳米结构制备、表征及其在能源技术、电子技术、光电子技术以及生物技术等应用方面均作出了原创性重大贡献。他发明了纳米发电机,并提出了自充电纳米结构系统,为微纳电子系统的发展开辟了新途径。他开创了纳米结构压电电子学和压电光电子学研究的先河，对纳米机器人、人-电界面、纳米传感器、医学诊断及光伏技术的发展具有里程碑意义。已在国际一流刊物上发表超过1400篇期刊论文（其中，《科学》、《自然》、及其子刊40余篇），拥有200项专利，7本专著和20余本编辑书籍和会议文集。他的学术论文已被引用85,000次以上。他论文被引用的H因子（h-index）是160。Nano Energy 的发刊主编和现任主编。

附：王中林院士个人成果网址：

http://www.nanoscience.gatech.edu/group/Current%20Members/Group%20Leader/Zhong%20Lin%20Wang.php

王中林

http://www.x-mol.com/university/faculty/26757

研究组主页

http://www.binn.cas.cn/ktz/wzlyjz/yjzjjwzl/

科研思路分析

Q：这项研究的最初目的是什么？

A：接触起电（摩擦起电）通常都是在常温下产生，常识也告诉我们似乎温度越高起电量越会下降。但是究竟在多高的温度下摩擦起电就不能产生了，或者说是否有个临界温度，目前还没有答案。另外，我们课题组发明的纳米发电机现在应用越来越广泛，但是在高温方面的应用还不算太多。在课题组先前研究的各种聚合物TENG，一般只能承受最高500 K的温度，这个温度还远远不够，需要进一步提高。

Q：在研究中过程中遇到的最大挑战在哪里？

A：本项研究中最大的挑战是如何提高TENG的工作温度，这里面涉及到耐高温材料的选择和TENG结构的设计。由于常规的TENG采用的摩擦电材料都是聚合物，所以在材料的选择上没有太多的借鉴，只能进行一次次的不断尝试与筛选。另外，采用通常的结构设计，一般升高到523 K温度后性能就会出现大幅下降。这些结果曾经让我们一度怀疑这可能就是接触起电能否产生的临界温度。但是在经过深入分析，厘清了具体的高温起电机制后，采用了新设计的结构将TENG工作温度提升至673 K。

Q：本项研究成果最有可能的重要应用有哪些？哪些领域的企业或研究机构最有可能从本项成果中获得帮助？

A：纳米发电机可以收集环境中多种形式的动能并转化为电能，因此本研究引入的耐高温特性将进一步拓展其应用，譬如可以在地球上的一些极端高温条件中使用。另外，由于对生存环境以及对未来发展等的担心或期待，人们对太空探索和外星探索的兴趣越来越浓，而这些探索必然会涉及到一些极端环境如高温等，这项研究成果也可能在这些极端环境中获得应用。