王中林&陈翔宇Adv. Funct. Mater.综述：通过摩擦纳米发电机的高压直接驱动的电响应材料和器件

【成果简介】

近日，中国科学院大学的王中林院士和陈翔宇研究员（共同通讯作者）等人，着眼于可以被摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator, TENG）的高输出电压直接驱动的材料和器件，概述了已报导的各种可以与TENG成功结合的应用方向，包括介电弹性体、压电材料、铁电材料等功能材料，静电驱动器、静电空气净化器、以及场发射和质谱仪等智能器件；总结了在选择材料和器件与TENG结合方面的关键因素；总结了在该领域TENG作为直接电源所面临的挑战和对于未来研究的展望。对比其他自驱动电压电源，TENG具有成本低廉、制造工艺简单、设计结构灵活和选材广泛等优点，收集低频机械能可以广泛的应用在智能力学、人机交互系统、智能存储系统、自供电微流控芯片、便携式质谱仪等领域。相关成果以“Electrically Responsive Materials and Devices Directly Driven by the High Voltage of Triboelectric Nanogenerators”为题发表在Advanced Functional Materials上。

1、前言

自2012年发明摩擦纳米发电机（TENG）以来，其迅速发展为一种能量收集和自供电系统的主流技术。TENG的工作原理是基于摩擦起电和静电感应效应，几乎可以将所有类型的机械能（例如：振动、水波、风、雨滴和人体运动）转换为电能。与其他能量收集技术相比，TENG具有制造技术简单、可靠、成本低廉和低频资源的广泛适用性等优点。TENG具有四种可提供持续电力的操作模式，包括垂直接触分离模式、水平滑动模式、单电极模式和独立层模式。同时，可以通过优化材料和器件的接口器件来提高TENG的输出性能。优化条件后，TENG的各项参数可以达到最佳效果。面积功率密度高达500 W m^-2以上，体积功率密度约为15 MW m^-3，瞬时转换效率大于70％，总效率高达85 ％。TENG可以与不同的电响应特性的智能材料和静电器件结合，组成具有实用功能的复合系统，从而实现简单有效的自供电智能系统。本文重点关注基于这种组合的自供电系统的最新发展；分析能够与TENG成功结合的材料和器件。图1是本文的主题和典型TENG的例子。第一部分深入介绍了结合高压TENG的方法。之后详细介绍了可以驱动TENG的电响应材料和器件，包括介电弹性体、压电材料、铁电材料、静电操纵器、静电空气净化器、场发射和质谱仪。最后，分析和讨论了TENG未来的发展和面临的挑战。

图 1 TENG和用于功能自供电系统的电响应材料/器件的组合图。

2、TENG材料及其制备方法

2.1 材料的选择

几乎所有材料都具有摩擦起电效应，包括金属、聚合物、木材等。所以，可以应用的TENG材料数量巨大，种类繁多。目前，不同材料的接触电化效应和详细物理机制仍在研究中。一般而言，摩擦电荷密度依赖于两种接触材料之间的电子亲和力差异。因此，选择具有较大差异的电子亲和力的两种材料，来制备TENG可以增加摩擦电荷。研究发现，具有良好拉伸性和耐久性的硅橡胶可用于制造柔软且可穿戴的能量收集器；具有光滑表面和耐磨性的Teflon或Kapton胶带可被用于滑动TENG耐磨的摩擦材料。同时，具有良好透明度的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）或氟化乙烯丙烯（FEP）薄膜可应用于基于TENG的智能器件。因此，材料选择是TENG成功的第一步。电子亲和力表可以帮助确定TENG材料。

2.2 材料的表面修饰

通过表面改性来提高摩擦电荷密度是提高TENG的输出电压的有效方法。在摩擦时，通过改变摩擦材料表面的物理结构来增加摩擦面积，可以有效增加电荷量。图2a是三种不同表面类型的扫描电子显微镜（SEM）图像：线、立方体和金字塔。图2b比较了典型接触分离TENG的输出电压与四种不同的表面类型：平面（非结构化）、线、立方体和金字塔。四种不同特征类型的TENG的测量的VOC明显遵循平面<线<立方体<金字塔的顺序。此外，金字塔特征装置的VOC几乎是平面装置的四倍。微纳结构Al作为纳米压印模板，可以提高聚二甲基硅氧烷（PDMS）表面的粗糙度。在摩擦表面上，引入微粗糙度的纳米结构，可以提高TENG的性能。选择性干法蚀刻和电感耦合等离子体（ICP）蚀刻，在聚合物表面上制备纳米线阵列，可以提高TENG的输出电压。利用选择性干蚀刻，在Kapton薄膜上创建纳米线阵列。纳米线的长度，影响TENG的输出性能。对于数百纳米的纳米线，其弹性在多次接触之后没有改变的取向和形态，如图2c所示。然而，对于过长的纳米线（蚀刻20分钟），当材料接触时，纳米线根部产生的应变超过聚合物材料的弹性极限，导致永久变形。蚀刻聚合物纳米线对VOC和ISC的时间的影响如图2d所示，这表明电输出信号随着蚀刻时间从0-5分钟有显着上升，随着蚀刻时间变长，电输出急剧下降。另一方面，在表面上结合一些适当的官能团进行化学改性，也可以有效地改善TENG的输出性能。当一些容易获得电子的官能团（例如-CF₃）在摩擦材料的表面上用来改性时，摩擦表面将对负电荷具有更强的亲和力。相反，一些易于失去电子的官能团（如-NH₂）可以对正电荷产生更强的亲和力。图2e中制备四种不同的TENG（i）PET：PET，ii）PET：P-PET，iii）PET：F-PET，和iv）P-PET：F-PET）以验证输出电压是否由表面上的不同化学键引起的。为了比较四种类型的TENG的输出电压，在相同条件下测试它们的VOC。图2f显示了与i）PET：PET对的电压相比，具有最大输出电压（iv）P-PET：F-PET对的四个TENG的VOC高出80倍以上。使用顺序渗透合成技术将AlO_x分子渗透到聚合物薄膜中用以改善TENG的电性能。AlO_x分子具有强烈的电子排斥倾向，因此与其原始状态相比，具有强电子亲和力的AlO_x掺杂聚合物后电子获取能力显着降低，但相应的输出电压增加了十倍。所以，物理和化学改性的结合最终可以优化TENG的电气性能。

图 2 摩擦材料的表面改性。a，b）模板法制备的微米图案的SEM图像、TENG与四种不同表面类型的输出电压的比较图；c，d）选择性干法蚀刻制备的纳米线阵列的SEM图像、蚀刻聚合物纳米线的时间对TENG输出性能的影响图；e，f）TENG与不同表面官能团的输出电压的比较图。

2.3、电荷注入法提高TENG的电压性能

电荷注入方法可以将表面电荷密度增加到饱和状态。电荷注入后摩擦膜的表面电荷密度是普通膜的几倍。目前有效的电荷注入方法有高压电晕放电法和电离空气注入法。图3是电晕放电操作单元的示意图。研究发现，通过使用电晕放电方法，VOC比初始值提高至少55倍。峰值电压与介电层的厚度有关，TENG的电压也表现出高的循环稳定性，在20000次循环后，保留率接近92.6％。采用正负电晕放电方法对聚丙烯薄膜进行充电，发现负电晕的表面电位下降得更慢。利用空气电离枪将负离子（CO₃-，NO₃-和O₃-）带到FEP表面，如图3b所示。这种引入表面电荷的方法不依赖于表面的化学性质。通过多次离子注入工艺，提高负表面电荷含量，增加TENG的VOC。

图 3 电荷注入方法和高压维护方法。a）TENG高压输出的高压电晕放电示意图；b）电离空气注入，获得高性能的TENG；c）不同电荷密度的分离距离和TENG的理论击穿电压；d）在大气中的Voc以及高真空的TENG；e）电荷泵原理示意图；f）不同方法和材料实现的高电荷密度的比较图。

2.4 真空保护防止充电泄漏和补充电荷泵

随着表面电荷密度增加，TENG的输出受到空气击穿的限制就会增加。图3c是不同空气压力和不同电荷密度TENG的空气击穿电压。1889年的帕邢定律指出，TENG的间隙/输出电压必须小于空气击穿电压。当真空度为10^-6Torr时，TENG在操作中可以避免空气的破坏，显示VOC增加了5倍（图3d）。图3e是一种实施外部电荷补偿的简便通用方法，TENG用浮动层来存储和结合静电感应电荷，而另一个TENG作为电荷泵可以将电荷泵入浮动层。图3f是典型材料和方法的高电荷密度的总结值。液体Ga和FEP之间的摩擦，实现了约0.22 mC m^-2的电荷密度。硅橡胶与碳（SR-C）混合作为摩擦层，电荷密度为0.25 mC m^-2。高压电晕放电后，Al/Parylene C的电荷密度值达到0.28 mC m^-2。在高真空环境下，Cu/聚四氟乙烯（PTFE）的电荷密度可以达到0.66 mC m^-2，而额外的铁电层可以达到1.003 mC m^-2。通过用电荷泵改变TENG的结构，实现1.02 mC m^-2的值。

3、介电弹性体和TENG的组合

介电弹性体是一种电活性驱动材料，在电场的刺激下，具有优异的变形能力。目前，介电弹性体驱动器（DEA）已经应用于软机器人和电子器件、微型泵等。在厚度方向上，电荷引起麦克斯韦应力，导致弹性体变形。DEA具有弹性刚度低，应变能力大的特点，这会导致DEA的诱导变形变大，进而获得各种功能性机械驱动器。然而，DEA的驱动电压通常为几千伏，这意味着DEA的应用需要高压源。TENG具有高输出电压和小分离运动的特性，利用TENG的高输出电压和DEA的大应变能力，可以建立TENG-DEA系统，在人工肌肉和软驱动器中的应用。与TENG的能量收集功能结合，驱动系统可以实现人与系统之间的瞬时交互，用作微机电系统（MEMS）和人机交互中的自供电驱动组件。本节介绍了TENG-DEA系统的几个应用，包括人工肌肉、智能开关、可调谐智能光学调制器和可调光学光栅等。图4a是单电极TENG和圆形DEA的TENG-DEA系统的示意图。碳脂的两个圆形电极施加到弹性体膜的上侧和下侧，一个电极连接到TENG而另一个电极接地。用ICP处理覆盖Kapton薄膜的纳米线阵列，来提高表面积，增强表面电荷密度。在ICP处理之后，Kapton薄膜和Al箔的接触分离运动产生高电压。图4a显示了集成系统的工作原理。Kapton薄膜和Al箔之间接触，会在接触界面产生正负电荷。分离会导致介电弹性体上的高静电激活DEA变形。当该Kapton薄膜和Al箔返回到原始位置时，正电荷和负电荷被中和，然后DEA的变形消失。丙烯酸弹性体的优异绝缘性能和柔软质地，使该材料可用作软电子产品的包装材料。图4b是TENG-DEA系统的智能开关演示图。两根导线彼此接触，夹在两个弹性体薄片之间，通过TENG控制导线的连接和断开。以这种方式，通过在弹性体膜的表面上印刷复杂的电路，实现更多的功能性能。通过使用银纳米线作为电极材料，制备智能光学调制器（SOM）。超长银纳米线的电极，可以在不牺牲透明度的情况下，保持良好的柔韧性，应用于可调谐光学器件。图5a显示SOM设备的操作机制，其类似于上面提到的普通DEA。在激活之前，SOM是透明且稳定的。当对弹性体的电位存在潜在的下降时，顶部和底部纳米线电极之间的库仑吸引力导致局部微观变形。这些微观的不规则变形，导致光的不规则折射从而透明度降低。图5b是由SOM装置调制的光学图像，其透明薄膜变成由TENG驱动的无光泽薄膜。图5c是另一种类似TENG-DEA系统的可调谐光栅（TOG）应用。当来自TENG的驱动，导致DEA元件膨胀时，可以改变光栅周期（图5c和d）。这些自供电SOM和TOG系统的设计和概念，可以促进TENG在光通信，光捕获和其他光学应用中的应用。在宏观透明度观察中，由SOM装置调制的光学图像如图5b所示，其中透明薄膜变成由TENG驱动的无光泽薄膜。图5c展示了另一种基于类似TENG-DEA系统的可调谐光栅（TOG）应用。当来自TENG驱动的DEA元件膨胀时，可以改变光栅周期（图5c）。类似的效果也可以应用于2D光栅和点阵光栅中，其中衍射激光矩阵都可以由TENG控制。这些自供电SOM和TOG系统的设计和概念可以促进TENG在光通信，光捕获和其他光学应用中的应用。图6a提出了一种特殊的操作方法，通过串联连接两个DEA单元，在整个系统中施加偏压。在两个DEA单元中，一个是目标设备，另一个是辅助设备。TENG的输出电压可以调节两个DEA单元的潜在下降分布。图6a，b是TENG的接触减小V1并增加V2，TENG的分离可以增加V1并减小V2。施加的电压偏置，可以帮助克服DEA的阈值电压值，在该偏置值处施加的电压，为目标DEA产生显着的变形。从图6b中可以看出，SOM是目标器件，TENG可以很好的控制该SOM的变形。增加外部电压偏置的方法适用于所有与DEA相关的器件。基于该驱动策略，制备弹性体电致发光器件（图6c）。与单独的TENG相比，这种驱动策略显著增强了发光。图6d是该装置的照片和通过该策略驱动的发光。这两个集成设备证明了该策略对DEA相关设备具有普遍适用性。此外，为了更好地理解TENG-DEA系统的工作机理，建立了物理模型来模拟粘弹性和电流泄漏对TENG输出性能的影响。图6e，f显示了集成系统的理论模型和弹性体的粘弹性模型。实际测量与模拟结果之间的比较如图6g所示，这与该模型能够预测由TENG驱动的DEA响应相矛盾。这个物理模型可以帮助探索TENG-DEA系统的各种应用。

图 4 TENG-DEA系统的自供电人工肌肉和智能开关：a）应变性能的TENG-DEA系统的示意图；b）TENG-DEA系统的智能开关的工作原理示意图。

图 5 耦合TENG和介电弹性体的智能光学调制器：a，b由TENG驱动的SOM的工作示意图及其光学图像；c，d）TENG驱动的光栅阵列的TOG的示意图和光学图像。

图 6 TENG-DEA系统和集成系统的理论分析：a）新方法驱动的SOM和DEA；b）SOM透明度的变化和普通DEA样品的收缩；c）TENG-DEA系统的示意图；d）样品的光学图像和产生的发光行为；e）TENG-DEA系统的理论模型；f）弹性体的粘弹性的理论模型；g）致动应变的松弛过程。

4、压电陶瓷和TENG的微驱动器

压电材料可以在电磁场中变形。由于压电材料的变形非常小，精度高，可用于微系统的精确操作。目前压电陶瓷已被广泛应用于各种机电装置，如超声波电动机、陶瓷扬声器和压电探针等。压电陶瓷的驱动电压约为几十伏。压电陶瓷与TENG结合作为可以实现各种自供电机电系统的材料。TENG和压电陶瓷可用于控制激光束发射角的压电微驱动器。图7a是三层滑动TENG的示意图，其含有独立摩擦电层的PTFE薄膜和四个Al箔组成两对正交电极。为了提高TENG的输出电压，可以将PTFE膜的两个表面经ICP处理，产生了纳米结构形态（图7b）。这种三层滑动TENG和压电双晶片，可以通过有源压电微驱动器实现（图7c）。压电微驱动器具有电场精确变形的特点，可以精确控制激光的方向。图7d是静电微驱动器的工作原理，通过TENG调节两个红外衰减器实现双通道光调制。这些基于TENG的微驱动器可用于光学调制，说明压电材料在自供电系统中具有很高的应用价值。与介电弹性体相比，压电陶瓷的诱导变形要小得多。介电弹性体的变形精度受其粘弹性的影响，压电陶瓷在较低的驱动电压下，具有更高的精度。柔软、透明的介电弹性体可以应用于人工肌肉或仿生装置，而压电材料更适合于机电系统或超声波装置。TENG和压电材料的结合，适用于TENG驱动一系列微机械。凭借可持续自供电能力的优势，TENG的微型驱动器，在MEMS/NEMS中具有广阔的应用前景。

图 7 平面滑动TENG的光学调制的源微致动器：a）三层滑动TENG的示意图；b）PTFE膜的纳米结构的SEM图像；c）三层滑动TENG驱动的2D调制器的结构示意图；d）两个通道的有源光衰减器的示意图。

5、TENG极化的铁电材料用于记忆装置

铁电材料和TENG的集成是自供电信息存储系统的新应用。铁电材料的自发极化对强加的电磁场响应良好，对电流不敏感。这使得铁电材料作为TENG输出性能的理想选择。另外，铁电材料中偶极子的切换时间，远小于TENG的输出周期。这些因素导致铁电材料与TENG结合后，可以应用在自供电记忆装置和存储设备中。聚（偏二氟乙烯-三氟乙烯）（P（VDF-TrFE））已在许多装置中得到广泛研究。通过TENG和P（VDF-TrFE）膜结合，形成独特的自供电记忆装置，记忆一维和二维运动。图8a是滑动TENG的自供电存储器系统和工作原理。TENG运动产生的电场施加在P（VDF-TrFE）膜上，膜中的偶极矩将会被极化。电场强度决定了极化的大小，所以记忆装置可以记录TENG的位移距离。然后，通过观察位移电流得知存储的偏振信息，如图8b所示。极化铁电材料可用于增强TENG的输出。P（VDT-TrFE）和皮肤作为单电极TENG中的接触材料，如图8f所示。在不同的电场进行极化后，输出电压会显著变化，通过控制施加在P（VDTTrFE）聚合物上的极化电极来控制皮肤电位。在TENG驱动下的铁电层，也可用于电子设备中记录逻辑信号。通过连接高开路电压的TENG和场效应晶体管（FET），可设计出由铁电晶体管组装的记忆存储器的自供电系统，如图9a所示。TENG的整流输出电压脉冲作为栅极电压施加到铁电晶体管以控制沟道。FET的二进制状态可以作为非易失性存储器读取，而不交替反转铁电极化。图9b是0.65Pb（Mg_1/3Nb_2/3）O₃-0.35PbTiO₃（PMN-PT）的铁电性质，当扫描栅极电压为-60至40 V时，该切片具有p型特性。不同栅极电压下的并五苯铁电晶体管的I_ds-V_ds如图9c所示，在低压区中I_ds与 V_ds呈线性变化。为了研究这种自供电系统的内存保留情况，将TENG产生的写入脉冲施加到FET上。通过观察自供电系统的可开启、关闭电流状态，表现了出色的记忆操作。由于这些记忆装置的工作机制，可以利用其他任何TENG。所以铁电材料确保了这种储存技术的应用前景。因此，这些系统可以用作智能存储或智能电子器件的自供电存储盘或晶体管。

图 8 摩擦电和铁电的自供电跟踪记忆存储：a）TENG和P（VDF-TrFE）薄膜的信息存储装置和工作原理示意图；b）双循环电压（-25至25 V）的装置的位移电流测量图；c）单电极TENG和P（VDF-TrFE）的存储存储系统的工作原理的示意图；d）检测和记录2D运动轨迹的TENG矩阵的示意图；e）TENG矩阵的照片；f）极化P（VDF-TrFE）聚合物摩擦电化控制皮肤电位图。

图 9 TENG和铁电FET集成的自供电非易失性铁电晶体管存储器件：a）自供电晶体管存储器系统的示意图：b）晶体管的透射曲线图；c）并五苯铁电晶体管的典型I_ds-V_ds特性图；d）TENG的不同V_ds的I_ds图。

6、TENG驱动的静电操纵器

静电场引起的库仑力是最直接的电响应效应，库仑力是宏观/微观物体的理想驱动力。这已经在智能手机、可穿戴产品、微型泵和微流体装置中得到了应用。TENG可以产生强电场，静电驱动装置的漏电流非常小，有利于维持摩擦充电。此外，TENG可以在循环中产生的有限的电荷量，这可以降低电击穿的风险。因此，TENG和静电操纵系统的组合，可以实现具有自供电能力的可调谐静电操纵器。TENG的操纵器具有响应速度快，效率高，安全可靠的特点，其性能可与商用高压电源相媲美。它可以作为一种技术在精确操纵MEMS中的微小固体或液体物体的系统，微流体通道和许多其他应用。图10a是纳米线阵列的薄膜，可用作电触层的器件图。通过改变器件结构中栅极的形状，获得所需的自组装图案。图10c是组装阵列的样品的照片，其中尼龙珠的直径为1.58 mm。经TENG充电处理之后，尼龙珠和电气化层的表面分别带正电和负电。电气层引起的正电荷从地面流向栅极，如图10d所示。由于珠子和窗口位置之间的静电吸引力（图10e），珠子被吸引到窗口位置。从图10f中可以看出，断开的环形电极，在独特的静电驱动器中与TENG的分段环形Al箔连接。金属颗粒用碳纤维接地后，可以在颗粒上诱导电荷。通过TENG的激发产生电极和颗粒之间的静电吸引力。因此，Kapton在环形铝箔上的圆周运动，可以引起金属球粒的旋转运动。另一种具有摆式结构的静电驱动器（图10g），TENG中的Kapton薄膜的运动能够调节颗粒的振荡。TENG不仅可以操纵微小固体物体的运动，还可以控制微流体的运动。图11a是自供电微流体操纵器的结构和操作过程。经过疏水表面处理的FEP薄膜，充当自供电系统中的介电层，水滴可以在FEP表面上平滑地滑动。将两个液滴放置在连接TENG的两个电极上，其中一个中间条带电极接地。随后，TENG产生的库仑力，可以驱动两个液滴朝向彼此移动。图11b是将酚酞液滴和碱性液滴合并在一起，变成了红色。进一步修改了TENG的操作，以精确操控微流体。将光栅电极与独立的TENG耦合，实现对液滴位置的精确控制。该系统具有优越的运行可靠性，用TENG控制迷你车运动（图11c）。四个微滴作为迷你车的车轮，TENG产生的静电力驱动为四轮驱动。此外，由TENG驱动的微滴可以在倾斜或垂直平面上运动，甚至可以跳过一步，如图11d所示。将有限元计算和插值方法的结合，精确模拟了TENG驱动的微滴的运动行为，并计算了微滴的速度。图11e是一种基于TENG的液滴驱动系统，该系统利用了水滴和液滴上的摩擦电流之间的摩擦电能。图11e是该自供电系统的设计结构和工作原理，该系统由两个芯片组成：一个作为滑动芯片固定在倾斜框架上，另一个作为驱动芯片固定在水平平面上。当液滴沿着滑动芯片滑动时，滑动芯片上的两个电极将通过触电产生不同的电荷，这可以在驱动芯片中产生电压信号。因此，驱动芯片上的液滴的接触角改变会产生移动液滴的驱动力。从图11e中可以看出，在驱动系统中集成四个TENG，实现了液滴的连续运动。图11e中的插图是水滴被驱动到不同位置的照片。通过改变液滴的起始位置，这种致动系统也可以实现两个液滴的融合，如图11f所示。这些基于TENG的静电操纵器可以实现对宏观/微观物体的精确和有效的操纵。基于这些集成系统，可以开发各种可能的应用，包括显微操纵器，微机器人和目标传输。

图 10 TENG作为静电驱动力操纵微小物体：a）静电自组装装置的结构图；b）等离子体干蚀刻处理后的SEM图像；c）尼龙球的装置的照片；d）在一个窗口中，充电分配一个尼龙球；e）球在不同位置的静电力；f）自动静电驱动系统的结构设计，引导颗粒的旋转运动；g）摆动微小物体的静电驱动系统。

图 11在微流体系统中，TENG对微流体的操作：a）TENG合并两个液滴的静电致动系统的设计图；b）驱动前后的苯海拉明液滴和碱性液滴的照片；c）TENG驱动的微型汽车的自供电运输系统的照片；d）静电致动系统爬上台阶的液滴的照片；e）连接多个TENG的芯片上的连续液滴驱动；f）大液滴滑动合并的两个液滴图。

7、TENG的静电吸附与空气净化

TENG产生的库仑力，可用于精确驱动和操纵微小物体，也可用于去除露天的灰尘或污染物，实现自动静电吸附。传统的静电吸附是一种有效的除尘技术，通常需要在绝缘子过滤器上施加高压。TENG产生的高电压和强电场可有效吸收微小颗粒。TENG转换周围的机械能来维持过滤器的高压。TENG型空气净化装置具有结构简单，臭氧释放量小，过滤效率高，成本低等优点，可去除汽车尾气和室内空气中的颗粒物。TENG的空气净化装置在雾霾处理，空气净化，挥发性有机化合物（VOC）去除和用于人类健康的可穿戴装置的领域具有巨大的商业潜力。“循环新鲜空气净化器”和“PaPa口罩”，已经被Nair TENG公司作为商业产品销售。TENG驱动的自供电的过滤器，可以清除机动车排放的微粒物质（PMs）。图12是TENG驱动两个Al箔和聚合物粒料（V-TENG）振动，用以除去PM。图12a是V-TENG的示意图，粒料和Al箔之间的碰撞运动而产生高电压，用于吸收PM。图12b是V-TENG的照片。V-TENG的两端都有出风口和出风口。当与颗粒混合的气流通过V-TENG时，空气流可引起PTFE颗粒与Al箔之间的碰撞，摩擦起电，在PTFE颗粒上产生表面电荷，产生强静电，吸收污染物颗粒。从图12a中可以看出，气流中的污染物颗粒被具有强静电毡的颗粒吸附。从图12c中可以看出，作为过滤器的V-TENG固定在汽车的尾管上，车辆排放通过长管直接进入TENG。TENG的高电压不仅可以提高PM的吸附效率，还可以提高有害气体的降解效率。图13a是结合TENG和光催化材料去除颗粒和VOC的自供电过滤器。在该过滤器中，将光催化剂沉积在涂有聚合物的钢网上。当TENG驱动时，由于摩擦效应，在垂直和水平线之间产生强电流，这可以提高颗粒的吸附率（图13b）。另一方面，通过电场可以增强光催化剂中光生载流子的分离和迁移，从而提高TENG电催化剂的光催化效率。TENG增强光催化降解的工作原理如图13c所示。基于TENG的面罩的结构和该过滤的详细工作机理的一种接触分离TENG的自供电静电吸附面罩。在这个面罩中，TENG充当呼吸阀以吸收空气中的PM，TENG可以持续提供静电荷以提高去除效率。连续吸收240分钟后，聚偏二氟乙烯（PVDF）电纺纳米纤维膜的SEM图像，如图13e所示。设计了一种基于由PTFE和尼龙织物制成的简单TENG的可清洗面罩。此外，通过使用聚醚酰亚胺纳米线（通过静电纺丝法制造）制造具有两种功能的面罩，其可同时去除微粒并监测人的呼吸速率。

图 12 一种自供电空气净化器，TENG驱动去除汽车尾气中的颗粒物质：a）TENG驱动去除振动中的颗粒物质的摩擦电效应的示意图（V-TENG）；b）V-TENG的照片；c）摩托车尾气管上摩擦电动净化器的照片。

图 13 TENG的空气过滤器去除有效的颗粒物质：a）静电和光催化作用自发吸收的示意图；b）单电极TENG增强静电吸收的详细示意图；c）TENG增强光催化降解VOCs；d）由呼吸驱动的自供电静电吸附罩的结构和工作机理；e）颗粒过滤后PVDF纳米纤维膜的SEM图像。

8、TENG驱动的电子激发，离子生成和微等离子体

基于高电场的静电放电效应，已经开发了几种离子或电子产生方法，以促进TENG在晶体发射和质谱分析中的应用。TENG的转移电荷量，可以调控参数，进行精确控制。TENG通过改变滑动面积或间隔距离，产生不同含量的转移电荷。TENG将机械运动转换为高压输出。TENG产生的精确控制电子量，可应用于定量分析和痕量检测。单电极TENG制备的自供电发射装置（FED）的结构，如图14a所示。该装置由碳纳米管阴极和磷/氧化铟锡（ITO）阳极组成。阴极和阳极由薄玻璃间隔物隔开。摩擦层的机械运动控制FED发射的电子量。图14b是施加不同电压的FED电流密度。图14c是自供电放电发射装置的理论模型。ZnO纳米线阵列的两个电极，建立了更复杂的发射系统示意图。在TENG中仅Tefon 薄膜的一次滑动运动之后，在阴极射线管中启动了feld发射（图14f），并且照射持续超过100分钟。 凭借改进的可控性，便携性和稳定性，这种摩擦引发的电极发射器可以为传统的发光器件带来新的方法。通过调整TENG的结构参数，可以定量控制TENG的质谱仪中的总电离电荷。图15a，b是TENG和纳电喷雾电离发射器的耦合，接触分离模式（图15a）和独立模式（图15b）的TENG，可以产生单极性和交替极性电荷脉冲。TENG的有限电荷可以提高样品利用率；TENG的高电压，可以保证纳电喷雾电离的高灵敏度。图15c是TENG驱动的纳电喷雾电离发射体的照片。TENG的质谱的等效电路，如图15d所示。TENG的质谱分析真正的和伪造的抗疟药，如图15e所示。一种滑动式独立式TENG木尖结构用于这个测试。当TENG设备的顶部手动时从接地电极移向电极连接到牙签上，产生正离子在牙签和质谱仪入口之间，如图所示图15f。TENG动力牙签电喷雾，通过质谱法区分真正的和伪造的抗疟药的提取物。TENG质谱法提供了一种简单、安全、经济的离子生成方法。等离子体作为第四种状态，需要通过高温或外部电源产生。等离子体的设备需要外部电源维持，阻碍了等离子体的使用。TENG具有高电压的特性，可以产生足够高的电荷，适合于等离子体产生的连续静电放电。微等离子体是一种限制于有限空间范围内的等离子体。由于放电尺寸减小到毫米级或甚至更低，微等离子体通常能够在大气条件下操作。图16a由旋转TENG直接驱动的大气压非平衡等离子体射流的总装置的示意图。在TENG的驱动下，电极上发生电弧放电和火焰放电。TENG产生的微等离子体，可以替代大多数应用领域中的传统等离子体。等离子由旋转TENG设计和供电。不同曝光时间的等离子体的照明照片，如图16e所示。通过改变不同电极的材料、结构或规模，微等离子体引起的发光可应用于不同的领域。TENG带来等离子体放电，可以产生紫外线发射。PTFE薄膜与石英玻璃管摩擦后，PTFE薄膜表面带负电荷，石英腔表面带正电荷。摩擦诱导电荷的高密度，导致强电荷在Ar-Hg低压气体中产生等离子体放电（图16f）。PTFE薄膜在石英玻璃上滑动时，会产生紫外等离子体辐射（图16g）。随着PTFE膜的滑动速度增加，光强度随之增加（图16h）。通过摩擦电化激发的等离子体表明TENG可用于产生多种微等离子体。摩擦电等离子体为等离子体提供了新颖的补充、无需额外的电源。将来，摩擦电等离子技术可以与不同的学科相结合、产生各种等离子体源。

图 14 TENG驱动的场发射：a）焊球发射装置的示意图；b）外部稳定电源的焊球发射装置的J-V性能；c）集成自供电系统的理论模型；d）发射器、电源和测量电路的示意图；e）电源阴极射线管的示意图；f）TENG驱动形成的照片。

图 15 TENG驱动的质谱分析：a）接触分离和b）滑动独立模式TENG；c）纳米喷射发射器的暗场图像；d）TENG的质谱系统的等效电子电路；e）抗疟药片质谱分析TENG装置的示意图；f）TENG驱动器件的示意图。

图 16 TENG摩擦电磁场诱导的等离子体放电：a）两个串联独立式旋转TENG驱动的非平衡等离子体射流的示意图；b）图案化电极介质阻挡放电等离子体源的示意图；c）TENG驱动的图案化电极的发光照片；d）独立式旋转TENG驱动的等离子盘；e）不同曝光时间的照片；f）TENG和等离子体放电效应的UV发光装置的工作机理示意图；g）PTFE和玻璃之间的摩擦引起的玻璃腔中的UV发射的照片；h）不同PTFE滑动速度的发光强度。

9、结论和展望

通过使用TENG的高压直接驱动或控制一些电响应材料和器件，已经建立许多具有各种功能的自供电复合系统。本综述基于电器件和TENG的组合，给出了几个功能系统的最新进展。TENG是作为直接驱动，具有大内阻的设备和系统的理想电源，例如DEA、静电操纵器、质谱仪和其他静电设备。隔离距离仅为几毫米，TENG的输出电压可达到几千伏。此外，与其他高压电源相比，TENG能够通过改变接触面积，滑动距离或间隔距离，更方便控制电压和转移电荷。这些自供电系统已经应用于自供电MEMS、智能存储系统、微流体系统、空气净化器、便携式分析仪器和电荷发射源等领域。未来，由于TENG的成本低廉和制造工艺简单的特点，TENG的微流体芯片、弹性体智能光学器件、手持式静电纺丝机、便携式质谱仪和许多其他自供电系统的商业化都将成为可能。需要指出的是，基于压电纳米发电机（PENG）或驻极体发生器的高压电源。PENG的输出信号由施加的力决定，TENG的输出电压主要取决于分离距离。因此，TENG可应用于多种类的运动，例如滑动或甚至悬挂滑动。驻极体发生器是基于静电和位移电流，这与TENG非常相似。然而，驻极体发生器必须使用可极化材料，而TENG的材料选择范围更广泛。更重要的是，以前对驻极体发生器的研究，主要集中在MEMS芯片和输出信号的增加。自动供电系统的概念，由纳米发电机的研究人员建立，其产生的能量，可以直接用于驱动器件或实现有前途的功能。本文同时也总结了TENG作为直接电源面临的挑战和对于该领域未来研究的展望。

1）探索与TENG耦合的材料和器件。为了获得有效、高度的可控系统，与TENG组合的材料和设备，需要满足几个先决条件。首先，目标材料和器件需要电压可调，配合TENG的大输出电压和低输出电流的特性。其次，与TENG耦合的目标材料和器件应具有良好的绝缘性，以减少漏电流，保持TENG的高电压。在TENG的运动周期中，有限的电荷转移，目标系统应该具有低功耗。最后，目标材料和设备应具有一些有用和独特的功能，丰富TENG的自供电系统的应用范围。

2）TENG可以发展出许多独特的功能。利用TENG的优点，可以提高传统电响应材料和器件的功能和有效性。TENG具有普遍适用性和多样化的结构，可应用于各种领域。代替原有的电源，实现对便携式的无源系统。许多大型操作系统可以采用TENG而小型化。TENG具有自我保护能力，可以在高压器件中的应用，TENG产生的有限电荷，可以降低电击穿的风险。TENG可以瞬时把机械能转化为电信号，实现人机交互的桥梁。

3）TENG的自供电系统的挑战。TENG的输出电压已经足够高，但是输出功率仍需要增加。另一方面，需要进一步改善TENG的输出信号的控制，以便精确地调节在各种环境中系统的操作。两种方法可以解决这个问题：一个是开发更环保的摩擦材料，使TENG的产量可以在不同的环境中更稳定；另一种是改善外部系统的绝缘性能，以抑制摩擦引起的电荷的泄漏。

该工作的第一署名单位是中国科学院大学纳米科学与技术学院北京纳米能源与系统研究所的王中林课题组，课题组网页：http://www.binn.cas.cn/ktz/wzlyjz/yjtdwzl/。课题组负责人是王中林院士，课题组重点开展压电和摩擦式纳米发电机和压电电子学应用基础、功能器件及集成系统研究，包括纳米能源器件、主动式微纳传感器、自驱动纳米器件与系统，并探索其在欧洲杯线上买球 、传感器网络和人机交互等领域的应用。王中林课题组和纳米能源所诚招志同道合的学术人才，欢迎感兴趣的老师和学生与我们联系。

文献链接：Electrically Responsive Materials and Devices Directly Driven by the High Voltage of Triboelectric Nanogenerators（Adv. Funct. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adfm.201806351）。

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