聂双喜教授团队 Nano Energy：摩擦电式电荷分离探针

2023-05-24 来源：高分子科技

量化液-固界面上的电荷，将有助于推动界面物理化学机制进一步深入，如：材料化学、胶体化学、储能、催化和环保等，提高人类对于水资源利用技术创新，如：海水淡化、水收集、微流控技术等。高精度的量化液-固界面电荷，最直接的方法是通过压力-波-传播法，研究静止和流动条件下，液-固界面处的电荷分布，这往往需要较长的测量时间和较高的研究门槛。单电极模式的液固摩擦纳米发电机（L-S TENG）可通过接触起电和静电感应的耦合效应直接获取液固界面电荷的转移量，基于此可研究液固界面电荷转移的动态饱和过程。在此背景下，深入研究基于液固界面电荷转移的摩擦电探针，有助于深入理解界面物理化学机制。

近日，聂双喜教授团队开发了一种液体与电极直接接触的液固摩擦纳米发电机（L-S TENG）作为探针，用于量化液固界面处不同极性的电荷。通过为探针设计两个空间排布的电极（液体依次接触），成功分离了不同极性的电荷，在液体与电极电势差的驱动下，50 ms内量化了转移电荷。

图1. L-S TENG探针的器件结构及其运行机制

该探针有顶部和底部两个铜电极，顶部铜电极中部加装了针尖状的铂电极，形成了非对称的电极结构。液体滑落过程依次直接接触顶部针电极（electrode 1）及其对侧铜电极,这两个过程分别完成了负电荷进入电极1、正电荷进入电极2。液体滑动的过程，实现了正负电荷的分离并分别在两个铜电极内进行储存，因此转移电荷与开路电压随着液滴数的增加呈现阶梯形稳定上升。

图2. 探针的运行与液体的影响

该探针基于液-固摩擦纳米发电机可将液-固界面处不同极性的电荷分离并分别量化的特性，可以有效进行电荷分离以及消除液体与固体摩擦电荷，在能量收集与传感、微流控领域展现出巨大的潜力，为材料、环境和催化等领域功能界面电荷转移相关的研究提供了一种新的便捷工具。在液体与电极电势差的驱动下，该探针开路电压最高可达650 V，可瞬时（50 ms）量化液体的转移电荷，200s内最高可积累2 μC。在检测过程中，通过设置液体滴落的间隔，可以高效区分与捕捉液体经过的状态，并且在极端环境湿度条件下展现出极高的稳定性能。

图 3 探针的潜在应用展示。

这项成果以题为“Triboelectric charge-separable probes for quantificationally charge investigating at the liquid-solid interface”发表在《Nano Energy》（If：19.069）期刊上，博士研究生罗斌为本研究的第一作者，聂双喜教授为通讯作者。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108532

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（责任编辑：xu）

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