王中林Adv. Mater.：油-水-固相多相界面摩擦纳米发电机

【引言】

本文报道了一种基于聚四氟乙烯（PTFE）、铜电极和玻璃基底的液-固接触摩擦纳米发电机（TENG），并研究了其在“油/水”多相体系的信号输出。该TENG在“油/水”体系中可以产生两个独特的信号，一个源于液体（水或油）与TENG的PTFE膜之间的接触起电和静电感应（V_TENG和I_TENG）；另一个源于铜电极对“油/水”界面电荷的静电感应（ΔV_interface和I_interface），其仅在TENG穿过“油/水”界面时产生。当在TENG的PTFE和玻璃表面修饰聚多巴胺层时，这两个信号显示出有趣的相反变化趋势，即V_TENG和I_TENG信号降低，而“油/水”界面信号ΔV_interface和I_interface增加。I_TENG和I_interface的值与多巴胺浓度的自然对数有良好的线性关系，展示了该TENG在自驱动多巴胺双信号检测的应用前景。

【成果简介】

近日，美国佐治亚理工与中科院北京纳米能源与系统研究所的王中林院士课题组在Adv. Mater.期刊上发表了题为“Signal Output of Triboelectric Nanogenerator at Oil–Water–Solid Multiphase Interfaces and its Application for Dual-Signal Chemical Sensing”研究论文。在该工作中，作者用聚四氟乙烯（PTFE）薄膜，铜电极和玻璃基底制作了单电极液-固接触TENG，以研究TENG在油-水-固相多相体系中的信号输出。他们的研究结果显示，当液-固接触TENG插入“油/水”多相时可以产生两个独特的信号，一个源于液体和PTFE膜之间的接触起电和静电感应，另一个源于铜电极对“油/水”界面电荷的静电感应。这两个独特的信号为生物化学传感提供了优异的双信号平台，可用于多巴胺（DA）检测。相比于单信号传感，双信号检测体系可以提高检测的准确性，减少复杂的样本中可能出现的假阳性或假阴性结果。姜鹏博士和研究生张磊为本文的共同第一作者，通讯作者是王中林院士。

【图文导读】

图一、

（a，b）液-固TENG及其发电过程示意图。（c-f）液-固TENG在水（c，d）和石蜡油（e，f）单相体系中的开路电压（V_oc）和短路电流（I_sc）。（c-f）的插图：单循环电输出放大图及水和石蜡油在PTFE上的接触角图片。

图二、

（a，b）TENG在“石蜡油/水”多相体系中的开路电压（V_oc）和短路电流（I_sc）。（c，d）V_oc和I_sc的单循环放大视图。（e）“油/水”界面电荷的示意图。（f）界面信号产生过程示意图。（g，h）TENG在“石蜡油/水”体系中的V_oc和I_sc，水溶液分别为HCl溶液（0.1 M）、去离子水、NaOH（0.1 M）以及NaOH和NaCl的混合溶液（0.1 M）。

图三、

（a）多巴胺在TENG表面聚合示意图。（b）聚多巴胺修饰的PTFE和玻璃的SEM图像。（c,d）TENG表面修饰聚多巴胺层前后其在“油/水”体系的开路电压（V_oc）和短路电流（I_sc）对比。（e）等离子体处理的TENG在“油/水”体系中初始几个循环的短路电流（I_sc）。（e）中的插图：等离子体处理前后玻璃表面的水接触角图像对比。

图四、

（a）用浓度为0-500μM的多巴胺改性后，玻璃和PTFE表面上的水的接触角图像。（b）用浓度为0-500μM的多巴胺改性后，液-固TENG在“油/水”体系中的短路电流。（c, d）I_interface和I_TENG与多巴胺浓度的关系图。（c, d）的插图：I_interface和I_TENG与ln(C)的线性关系图，其中C是多巴胺的浓度。

【总结与展望】

作者报道了一种液-固接触TENG，并研究了其在“油/水”多相体系的信号输出。当液-固接触TENG插入“油/水”体系时，会产生两种不同的信号：一种源于液体和PTFE膜之间的接触起电和静电感应，另一种源于铜电极对“油/水”界面电荷的静电感应。基于这两个独特的信号，成功发展了一种自驱动多巴胺双信号传感体系：通过多巴胺自聚合在TENG表面修饰聚多巴胺层之后，V_TENG和I_TENG信号降低，而ΔV_interface和I_interface信号增加，且I_TENG和I_interface的值与多巴胺浓度的自然对数具有较好的线性关系。目前，这是首个基于TENG的双信号化学传感体系。作者相信这一概念将有助于发展可靠的双信号生物化学传感器。

文章链接：Signal Output of Triboelectric Nanogenerator at Oil–Water–Solid Multiphase Interfaces and its Application for Dual-Signal Chemical Sensing。(Adv. Mater.,DOI:10.1002/adma.201902793)

本文由踏浪供稿。