2025年8月1日,北京化工大学许海军教授课题组以题为“In-situ photocatalysis enabled preparation of high-performance flexible inductive electrodes in triboelectric nanogenerators”发表在Chemical Engineering Journal上,报道了一种低成本的原位光催化制备高性能电极的方法,实现了摩擦纳米发电机(TENG)性能的显著提升。该技术仅需日光照射即可在疏水性聚合物表面原位生长银纳米颗粒(AgNPs)电极,使用激光最快可在1分钟内完成生长,材料成本不足0.1美元,性能媲美10万美元级磁控溅射工艺,为可穿戴能源器件提供了工业化新路径。2023级硕士生吴东城为第一作者,闫文杰讲师和许海军教授为共同通讯作者。
一、背景痛点:传统电极的“双枷锁”
摩擦纳米发电机(TENG)作为物联网自供能核心器件,其感应电极的性能直接决定能量转化效率。然而当前主流金属胶带电极存在两大技术瓶颈:
1.粘合剂层增厚感应距离(6-30 μm),导致最大表面电荷密度(σ?)衰减(σ?∝1/感应距离);
2.弹性应变下永久变形,无法满足可穿戴设备反复弯折需求;
此外,已有方案价格昂贵,如磁控溅射、银纳米线(AgNWs)等替代方案,但动辄10万美元设备成本或1.4美元/片材料成本(AgNWs)制约产业化应用。
二、突破瓶颈:阳光驱动的原位纳米“生长术”
团队开发出原位光催化生长AgNPs电极技术,通过三步破解传统技术难题:
1.光触发还原:将FEP/PTFE等基膜浸入硝酸银+柠檬酸钠溶液中,利用光催化反应(日光、LED光、紫外光、激光等)在基膜表面直接生长AgNPs;
2.微米缺陷修复:AgNPs填充基膜表面微米级凹坑,使感应距离再缩短;
3.微量AgNWs复合:引入0.25 mg银纳米线(成本0.035美元)构建“AgNWs-AgNPs”混合结构,实现应变缓冲。
三、技术优势:
原位光催化AgNPs电极技术具有独特的优势:
1.TENG性能飙升:较传统Cu胶带电极的电荷密度提高了187%,充电速度快了11倍;
2.成本降低99%:材料成本<0.1美元/片,复合电极银纳米线用量仅需传统方案的2.5%;
3.普适性极强:兼容10余种聚合物基底,包括强疏水材料FEP、PTFE和PDMS;
4.机械稳定性强:100%拉伸时电阻变化率仅24.57,优于纯AgNWs电极(54.00),20%应变下循环10,000次,电阻仅从9Ω增至200Ω。
四、落地应用:从可穿戴传感到自供能物联网
基于该电极的AA-TENG器件已实现多场景验证:
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人体运动监测:贴附于关节(肘/膝/腕)实时识别弯曲角度,电压信号差异显著;
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触压传感:手指轻触(≈2N)即可产生1~1.8V可调电压;
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定制化电极:通过模具实现矩形/圆形/三角形等复杂图案精准制备,适配微型电子设备。
工业价值:该技术首次将光催化合成与摩擦纳米发电机的电极制造融合,突破“低成本”与“高性能”不可兼得的产业困局。相比磁控溅射(设备>10万美元)或银纳米线(材料>1.4美元/片),新方案以溶液法成本实现真空工艺级性能,同时支持万次拉伸稳定供电。论文作者强调,该方法"无需复杂仪器,为大多数实验室提供即用型电极方案",为可穿戴设备量产扫除关键障碍。
图1. AgNPs 电极的制备与性能。(a) 静电感应距离与最大面电荷密度 σ? 之间的理论关系;(b) 制备工艺示意图;(c) AgNPs-TENG 与 Cu-TENG 的结构设计对比;(d) 采用不同电极的 TENG 的转移电荷密度对比;(e) 传统 Cu 胶带电极与 AgNPs 电极在弯曲应变下的适应性;(f) AgNPs 与少量 AgNWs 组成的杂化电极具有高度可拉伸的弹性。
图2. 银纳米粒子的合成与表面形貌,(a) 原位光催化法制备 AgNPs 电极的过程示意图,(b) AgNPs 电极实物照片,(c) 在 FEP 薄膜上合成的 AgNPs 电极的 XPS 分析,(d-e) AgNPs 电极沉积表面的 SEM 图像,(g) 以日光为光源制备的 AgNPs 电极的 SEM 图像,(h) 以紫外光为光源制备的 AgNPs 电极的 SEM 图像,(i) 以 532 nm 激光(2400 mW/cm2)为光源制备的 AgNPs 的 SEM 图像,(j) 使用不同类型光源完成反应所需的时间。
图3. AgNPs-TENG 的输出性能,(a) AgNPs-TENG 与 Cu-TENG 的结构示意图,(b) 在 10 N 压力下 TENG 的接触效率,(c) AgNPs-TENG 的转移电荷密度,(d) Cu-1-TENG 的转移电荷密度,(e) Cu-2-TENG 的转移电荷密度,(f) 在 10 N 压力下,当 FEP 薄膜厚度为 15、30、50、100 μm 时,AgNPs-TENG 与 Cu-TENG 的转移电荷密度对比,(g) 不同感应距离下 TENG 的转移电荷密度,(h) 开路电压,(i) 短路电流,(j) 当 FEP 薄膜厚度为 15、30、50、100 μm 时,AgNPs-TENG 与磁控溅射电极 TENG 的转移电荷密度对比。
图4. AgNPs-AgNWs 电极及 AA-TENG 的结构设计与性能,(a) AgNPs-AgNWs 电极与纯 AgNWs 电极的结构示意图及其 SEM 图像,(b) 电极在 0–100 % 横向应变下的可拉伸实物照片,(c) 不同拉伸应变下电极电阻的相对变化,(d) AgNPs-AgNWs 电极在 20 % 拉伸应变下相对电阻的循环稳定性测试,(e) AA-TENG 结构示意图,(f–h) AA-TENG 在不同拉伸应变下的输出性能。
图5. AgNPs-TENG 与 Cu-TENG 的应用对比,(a) 不同形状的 AgNPs 电极,(c) 应用实验的完整电路实物图,(d) 主要电子元件参数示意图,(e) AgNPs-TENG 对不同容量电容的充电速度,(f) Cu-TENG 与 AgNPs-TENG 对 0.47 mF 电容的充电速度对比,(g) AgNPs-TENG 稳定驱动 24 颗 LED 时的电压,(h) Cu-TENG 稳定驱动 3 颗 LED 时的电压。
图6. AA-TENG 的实物图及其在人体上的传感特性,(a) AA-TENG 在人体各部位佩戴位置的示意图,(b) 不同手指触碰时产生的电压信号,(c) 轻触与重触过程中测得的电压信号,(d) 握拳动作产生的电压信号,(e) 手腕弯曲时产生的电压信号,(f) 肘部弯曲时产生的电压信号,(g) 将 AA-TENG 贴附于膝盖时测得的电压信号。
论文信息
标题:In-situ photocatalysis enabled preparation of high-performance flexible inductive electrodes in triboelectric nanogenerators
期刊:Chemical Engineering Journal 521 (2025) 166526
原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.166526
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