高效耦合位移电流和传导电流以提升水滴发电机性能
近日，学院宋群梁教授团队在水滴纳米发电机工作机制的研究上取得了新进展，相关研究成果以“The output improvement of droplet-based nanogenerators through enhanced coupling displacement and conducting currents”为题发表在能源领域国际知名期刊《Nano Energy》上。宋群梁教授为独立通讯作者，2021级硕士生钟涛为第一作者。
摩擦纳米发电机（TENG）拉开了高熵能量收集的序幕，并逐渐应用于液滴能量收集。接触带电（CE）和静电感应（EI）已被证明是TENGs中的基本过程，CE普遍存在于固-固和固-液体系中并以电子转移为主，而EI在将内部位移电流转换为外电路中的容性导电流方面起着至关重要的作用。由于界面没有电荷转移，因此常规TENG的输出通常具有交流（AC）特性。而基于CE和EI的TENG已经取得了巨大的成功，在许多领域展示了它们的巨大潜力。由于CE和EI在解释固-固TENGs的工作原理方面取得了巨大成功，因此它们自然而然地被用于解释固-液TENGs，特别是那些具有交流输出的液滴纳米发电机（AC-DNGs）。但在新开发的直流输出DNGs（DC-DNGs）中，水滴电荷的命运被重新讨论：负电荷从水转移到电极，形成阻性传导电流。AC-DNG和DC-DNG 中有争议的解释促使我们深入研究CE和EI产生的电荷的命运。是否可以区分水/电极界面上电荷的命运：是AC-DNGs中提出的电荷与电极界面积累，抑或是DC-DNGs中存在的电荷转移?
基于此，宋群梁团队做了以下研究：
①通过仅有上电极的DNG确认了传导电荷的存在，在没有离子注入、光激发、摩擦层改性等性能增强策略的情况下，再现了几种典型的DNGs，并系统地重新研究了它们的电荷转移过程和工作机理，进一步证实了水电极界面上的电荷转移。
②在全电流DNG（TC-DNG）中发现了传导电流和位移电流的弱耦合，并对TC-DNG的工作机理进行了相应的修改，以考虑液滴电场引起的下电极的感应，这是在以前的研究中被忽略的部分。
③通过三电极全电流DNG（TETC-DNG）增强位移电流和传导电流的耦合，将电荷提取效率提高了一个数量级以上（从单个液滴中提取电荷从1 nC增加到27.3 nC），并保留了直流和高压（约2315 V）的输出特性。
TETC-DNG 的直流输出避免了在阵列化时复杂的电源管理系统和相位同步问题。八通道的阵列电荷提取速度达363.42 nC/s，可直接点亮800盏串联的LEDs，或直接为电容充电。这为大规模液滴能量收集提供了一种有前途的策略。
【DOI】10.1016/j.nanoen.2023.109191
宋群梁教授团队致力于研究：1.钙钛矿太能电池界面物理过程与机理；2.新型微纳发电机及自供能传感系统；3.大型科研设备研制。欢迎合作或加入，更多信息见课题组网站（https://www.x-mol.com/groups/qunliangsong）