河南大学路浩为&哈理工杨文龙&宁波材料所胡本林Nano Energy：压电纳米发电机性能改善与自供电传感系统应用的最新研究成果

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近年来，物联网(IoT)的快速发展对人们的日常生活、生产制造和环境保护等方面带来巨大便利。作为IoT中的感知端口，传感节点的灵活布局对系统的功能设计起着至关重要的作用。传统的电网供电显然不能完全满足传感器节点移动式及分布式布局的要求，而电池供电在产生较高人力维护成本的同时也很易引起环境污染。因此，开发尺寸小、输出高、性能稳定的纳米发电机成为了解决能量供给问题的最佳选项之一。基于有机/无机复合材料的柔性压电纳米发电机(PENG)是通过压电效应实现机械能-电能转换的器件，可收集如人行走、肌肉拉伸、空气流动等低频机械能。相较与摩擦纳米发电机(TENG)，PENG具有体积小、使用寿命长、受环境因素响小等优势，但较低的输出限制了其实际应用。通常，此类型PENG的电输出性能取决于极化时作用在压电填料上的有效极化场和受外力时在作用在压电填料间的应力传递效率。然而，作为基体的高分子材料通常具有良好的绝缘性，将消耗大部分极化电压；同时，在受到外力作用时，大部分应力也会被柔性基质所吸收而影响其应力传递效率，因此造成PENG输出不高，这也是限制PENG实用化进程中的瓶颈之一。

近日，本工作团队科研人员设计了一种基于核壳异质结构复合纤维的PENG器件，该结构材料可通过诱导高有效场极化与改善压电填料间应力传递效率机制双管齐下提高PENG的压电输出；继而，通过合理的能量管理电路设计与PENG结合实现了通过收集自然环境中风能的自供电无线环境监测系统构建(图1)。该压电材料的微观结构是通过附在复合纤维外壳层的钛酸钡包覆银颗粒(BT@Ag)增强压电填料表面的极化电势，同时诱导更多应力从纤维材料外部传递给内部压电填料的机制有效提高输出。其性能增强机理可通过多物理场仿真解释(图2)。基于压电纺丝材料具有柔性、轻质和对型变敏感的特点，研究人员利用基于该材料PENG可有效收集噪音和风力所产生的能量，通过简单的整流电路设计后可为温湿度计、计算器等小型电子设备供能(图3)。更为吸引人的是本工作所设计的PENG可与源管理电路设计、低功耗通信技术和窄带物联网技术(NB-IoT)相结合可实现完全自供电的土壤湿度检测系统的构建(图4)。

相关研究成果以《High performance piezoelectric nanogenerator by fiber microstructure engineering toward self-powered wireless sensing system》为题发表在国际顶级期刊Nano energy上，论文链接：Nano Energy 128 (2024) 109901，https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109901;河南大学物理与电子学院路浩为为第一单位通讯作者，哈尔滨理工大学杨文龙，河南大学物理与电子学院刘畅与中国科学院宁波材料技术与工程研究所胡本林研究员为共同通讯作者。

图1 基于PENG的微纳能源收集与自供电传感系统构建示意图

图2 基于传统静电纺丝和核壳异质结构静电纺丝的(a)极化电势(b)应力传递(c)产生压电势的多物理场仿真

图3 本工作设计的PENG (a)-(c) 对于噪音能量的收集 (d)-(f) 对于风能的收集 (g-i) 经整流电路设计实现为小型电子设备供能

图4 (a)基于PENG的无线传感监测系统框图 (b)-(d) 本工作基于PENG自供电的土壤湿度无线监测系统设计

通讯作者介绍

路浩为，工学博士，博士后，河南大学副教授，科研方向：压电、铁电陶瓷材料，无机薄膜材料，压电/摩擦复合纳米发电机设计及其物联网应用。主持/参与国家自然科学基金3项，省部自然科学基金5项，国家电网横向项目2项。以第一和通讯作者身份在Nano energy、Small、ACS Appl. Mater. Inter.等知名期刊上发表过多篇论文成果。业余担任Nano Today、Nano energy、ACS Appl. Mater. Inter.等学术期刊审稿人。获得河南省教育厅2024，2023年度滚球体育 成果一等奖各1项，2022年开封市自然科学优秀学术成果二等等奖项(皆为第一完成人) 。联系邮箱：sadearl@163.com

杨文龙，哈尔滨理工大学仪器科学与技术学科副教授，博士生导师。黑龙江省激光光谱技术及应用重点实验室光纤传感研究方向负责人。主要从事光与物质的相互作用机制研究，致力于光纤传感和智能仪器的设计和应用探索。以第一和通讯作者在Nano Energy, Nano. Res., J. Mater. Chem. C, Opt. Express, 等期刊发表SCI论文60余篇，获批发明专利20余项。主持国家自然科学基金、黑龙江省优青、黑龙江省高创新人才项目等10余项，获黑龙江省科学技术二等、三等奖各1项，联系邮箱：wlyang@hrbust.edu.cn。

刘畅，河南大学副教授，于2018年毕业于北京理工大学物理学院，获得博士学位，专业为凝聚态物理。2018年起在河南大学物理与电子学院工作，主要从事二维材料、铁电性、磁性和电子结构等研究领域的理论计算工作。

胡本林，中国科学院宁波材料技术与工程研究所, 研究员，长期从事有机功能材料（特别是弹性电子材料）的合成、器件制备和性能调控等相关工作，先后获得中国科学院院长奖、德国洪堡奖学金和宁波市自然科学奖（一等奖和二等各一次）等国内外奖项支持。 已在国内外高水平学术期刊上发表论文近40篇，其中包括Science，J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.等国际顶级期刊。