摩擦納米發(fā)電機（Triboelectric nanogenerator, TENG）通過摩擦起電和靜電感應(yīng)可以實現(xiàn)將環(huán)境中的機械能轉(zhuǎn)化為電能，以此為基礎(chǔ)發(fā)展的微納能源、自驅(qū)動傳感以及藍色能源等技術(shù)將為物聯(lián)網(wǎng)、健康監(jiān)測、電子皮膚、海洋開發(fā)等重要新興領(lǐng)域提供能源技術(shù)基礎(chǔ)?，F(xiàn)階段摩擦納米發(fā)電機進一步走向?qū)嶋H應(yīng)用受到兩個方面的挑戰(zhàn)：一是通過摩擦實現(xiàn)的表面電荷密度較低，使器件性能還無法滿足多種實際應(yīng)用的需求；二是摩擦造成的材料磨損和發(fā)熱會影響器件的耐久性。 

2018年報道的電荷泵浦策略和電荷自泵浦摩擦納米發(fā)電機（Nano Energy, 2018, 49, 625）為解決這些問題提出了重要的思路，即通過浮置導(dǎo)體層來約束電荷，并通過泵浦發(fā)電機向浮置層中注入電荷。注入的束縛電荷可類同于摩擦靜電荷激發(fā)電場，但其電荷密度理論上僅受限于介電擊穿強度的限制，同時不需要通過劇烈的摩擦產(chǎn)生。該工作首次在大氣環(huán)境下將有效電荷密度提升到1.02mC/m2，實現(xiàn)了重要突破。在此基礎(chǔ)上，2020年4月報道的基于電荷泵浦策略的旋轉(zhuǎn)式摩擦納米發(fā)電機（Adv. Energy Mater., 2020, 10, 2000605）實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)式TENG在低頻激勵下的高輸出性能，器件在2Hz低頻驅(qū)動下可達到658mW的峰值功率和225mW的平均功率。以上工作實現(xiàn)了電荷密度和摩擦強度之間關(guān)聯(lián)的解耦，進一步推動了TENG的功率輸出及耐久性瓶頸問題的解決。在電荷泵浦器件中，電荷被完全約束在浮置的導(dǎo)體層中，與普通TENG將靜電荷完全約束在電介質(zhì)表面類似，從靜電感應(yīng)的角度仍遵循普通TENG的原理。 　　  

近日，中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所首次提出了電荷穿梭原理（Charge shuttling）和基于電荷穿梭的摩擦納米發(fā)電機（Charge-shuttling-based triboelectric nanogenerator, CS-TENG）。不同于普通摩擦納米發(fā)電機中將摩擦靜電荷完全約束在電介質(zhì)表面，CS-TENG中將電荷限域于導(dǎo)電域中，并利用電荷在導(dǎo)電域中的往復(fù)穿梭形成電流，驅(qū)動負載?；跍蕦ΨQ的雙導(dǎo)電域中電荷的相互作用可以產(chǎn)生鏡像正負載流子的穿梭，實現(xiàn)轉(zhuǎn)移電荷量的加倍。導(dǎo)電域中的電荷作為“工質(zhì)”可以通過泵浦TENG高效注入，實現(xiàn)電荷的自泵浦激勵。基于以上原理，實現(xiàn)了高性能的能量收集器件，達到了1.85mC/m2的超高有效輸出電荷密度。在此基礎(chǔ)上，以CS-TENG為核心發(fā)電單元制備了高性能集成球形藍色能源器件，成功應(yīng)用于水波能收集。在低頻水波激勵下，該器件可實現(xiàn)電荷的自泵浦激勵，并由單泵浦TENG對多主TENG同時激勵，峰值電流可達1.3mA，峰值功率可達126.67mW，且在300kΩ的低負載電阻下可實現(xiàn)最大的功率輸出，實現(xiàn)了藍色能源器件性能的新突破，且隨著器件集成CS-TENG單元數(shù)量的提升，輸出將會進一步提高。該工作還展示了器件在波浪驅(qū)動下，同時點亮600盞LED燈，并用于自驅(qū)動溫度和氣壓檢測，顯示了該器件在藍色能源等領(lǐng)域應(yīng)用的巨大潛力。電荷穿梭原理提供了一種全新的基本工作模式，大幅提升了器件表面電荷密度，為相關(guān)基于限域結(jié)構(gòu)中電荷運動的新型器件研發(fā)以及TENG在自驅(qū)動系統(tǒng)、海洋藍色能源等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新思路和方向，促進了高性能TENG實際應(yīng)用的發(fā)展。相關(guān)成果以“Pumping up the charge density of a triboelectric nanogenerator by charge-shuttling”為題發(fā)表在Nature Communications上。 

該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會、北京市科學(xué)技術(shù)委員會等項目資助。 

圖1. CS-TENG的器件結(jié)構(gòu)和工作原理。（a）電荷穿梭原理示意圖。（b）器件工作原理和類比模型示意圖。（c）器件照片。（d）器件典型電荷量輸出。（e）器件充電容曲線。

圖2. 水波激勵下集成器件的性能表征。（a，b）水波激勵單個集成器件（a）和器件網(wǎng)絡(luò)（b）的原理示意圖。（c）藍色能源的愿景圖。（d）集成器件單個周期內(nèi)的單側(cè)電流輸出峰和電荷量曲線。（e）集成器件在不同負載下的峰值功率和平均功率曲線。（f）集成器件點亮600盞LED陣列。（g）集成器件的應(yīng)用電路連接圖。（h，i）集成器件驅(qū)動溫度計的電壓曲線（h）和實驗照片（i）。（j，k）集成器件驅(qū)動氣壓計的電壓曲線（j）和實驗照片（k）。