摩擦纳米发电技术研究进展及其潜在应用

韩昌报， 王嫚琪， 黄建华， 郑嘉煜， 赵文康， 张 浩， 张永哲

(1.北京工业大学材料科学与工程学院， 北京 100124； 2.新型功能材料教育部重点实验室， 北京 100124；3.固体微结构与性能北京市重点实验室， 北京 100124；4.湖南石油化工职业技术学院信息资源中心， 湖南 岳阳 414011)

随着经济的快速发展和社会的日益进步，人们不断地追求高质量的生活水平，因此电子产品的更新换代时间越来越短. 目前，电子设备逐渐向小型化、可移动化和多功能化的趋势发展，而以电池驱动电子设备会带来更换频繁、回收困难及环境污染严重等问题. 因此，对自供电可持续能源的需求也日益剧增. 已经存在数千年的摩擦起电过程产生的静电荷，因其容易吸引灰尘、引起放电和短路等原因一直被人们认为是一种负面效应，所以大多数情况下通过摩擦产生的静电荷是一种浪费的电能. 2012年，王中林院士及其团队[1]首次发明了基于摩擦起电和静电感应耦合的摩擦纳米发电(triboelectric nanogenerator，TENG)技术，它能够收集各种形式的机械能来转化为电能，如风能、海洋能、震动能、人体运动能等. 与传统的电磁感应发电技术相比，TENG具有发电电压高、质量轻、体积小、柔性及形状灵活多变且兼容性高等优点[2-6]，受到了研究者们的广泛关注. 摩擦起电效应是由2种极性相反或者电负性相差较大的材料相接触所引起的电子转移现象[7-8]. 在一种材料与另一种材料发生摩擦的过程中，因电负性不同，高电负性材料表面的原子会从低电负性材料表面夺取电子而带上负电荷，另一材料表面带正电荷，摩擦时所产生的电荷种类由2种相互接触材料间的相对极性决定. Wang等[9]通过探究近几年摩擦起电的研究机理得到：在机械力/压力作用下，由于电子云重叠引起的电子转移是固体、液体和气体间产生接触带电的主要机制.

本文主要介绍了TENG的基本模式和原理，以及通过TENG来收集的不同形式的机械能，主要包括风能[10-12]、各种振动能[13-16]、海洋能[17-19]、人体运动能[4, 20-22]等. 然后，根据摩擦纳米发电技术的特性，本文按其输出和应用类型分为4个方面的应用：一是作为功率源，用于对微纳器件供电；二是作为电压源，用于空气净化等领域；三是作为信号源，用于自驱动传感等领域；四是通过耦合半导体器件作为控制源使用.

1 摩擦纳米发电机的基本原理与工作模式

TENG能够将生活中不同形式的机械能转化为动能，在微纳发电、自驱动传感、环境处理、器件性能调控等方面具有显著优势，是现代电子器件的理想能源供给方式. 其产生电流的过程主要有2步：1)选择2种不同的接触材料，获得表面净电荷； 2) 净电荷诱导产生变化的电场，从而驱动电子的流动，可通过麦克斯韦的位移电流证明. 研究表明，TENG有4种基本模式：垂直接触- 分离模式、水平滑动模式、单电极模式和独立层模式，如图1所示. 为了提高TENG机械能向电能转化的效率及性能，研究者们主要通过优化结构、合理的材料选择和纳米级的表面改性3种方式[23-28]：1) 一般情况下，研究者选择材料时会选用电负性差别较大的2种材料，从而获得相应较大的电荷转移量； 2) 对TENG进行表面改性是指通过光刻、蚀刻或粒子喷涂等方式在材料表面形成圆柱形、金字塔形或三角锥形等图案，以增大摩擦层之间的接触面积.

1.1 垂直接触- 分离模式

此模式的TENG在上下2种材料的非接触面上镀有电极，用于连接负载. TENG结构固定时，其输出电压和电流分别由2个摩擦层之间的分离距离和接触或分离的速度决定，如图2所示. 图2(a)-Ⅰ所示为开始状态，无电荷产生，两电极间也没有电势差；随着施加外力使得2种材料相接触，由于摩擦起电效应，在接触部分会发生电荷转移[30-32]，从而使得聚酰亚胺(kapton)表面带负电，而聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)表面带正电. 但是这些电荷只局限在表面，两电极之间仍没有电势差存在(见图2(a)-Ⅱ).

当施加的外力消失时，由于材料自身弹性，kapton倾向于回复到它的原始位置，使2个带电表面发生分离[33]. 从而在开路状态下，两电极间形成电势差(见图2(a)-Ⅲ)，TENG的开路电压持续升高，直到kapton薄膜完全回到原始位置. 此时，电压达到最大饱和值(见图2(a)-Ⅳ和(a)-Ⅴ). 只要测量的电表内阻无穷大，测得的电压信号会在最大值位置保持恒定. 若将两电极短接(见图2(b))，分离时电极间的电势差会驱动电子从上电极流向下电极. 外力撤销时，产生一个正向的瞬时电流. 相应地，对TENG重新施加外力时，生成一个反向的瞬时电流(见图2(b)-Ⅴ). 当上、下高分子材料再次接触时，电极上所产生的感应电荷会在外电路中被中和.

2012年，Zhu等[33]设计了第一种基于垂直接触- 分离模式的TENG. 他们为了保证2个摩擦层之间的有效分离，在两摩擦层间引入了一个间隔物，形成了空腔结构. 并通过研究发现选择极性或电负性相差很大的2种材料和间隔物的高度均会提高TENG的输出性能. 由于增加材料的表面粗糙度能够使2种材料接触时获得额外的摩擦面积，产生更多的摩擦电荷，从而获得更高输出功率.

之后，Zhu等[34]通过纳米颗粒物(nanoparticles,NPs)的表面修饰研发了一种新型弹簧支持的分离结构的TENG如图3所示.

研究表明：开路电压为1 200 V时，单位面积功率密度与体积功率密度分别为313 W/m2、54 268 W/m3. 由于PMMA具有高强度、轻质、容易加工、成本低廉等优点，因此选择其作为基底材料. 他们首先在PMMA基底顶部和底部分别镀一层金电极(底层的金电极可同时用作底电极和摩擦层)，然后分别在底部电极上修饰得金NPs和顶部电极上方旋涂一层聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane， PDMS)，最后将2层基底通过4个弹簧连接在一起，使得接触电极和PDMS间有一层空气间隙. 该研究证明了利用纳米发电机能够大规模获取机械能的实用性，如走路、滚动轮、风力和海浪等机械能.

此外，为了实现高的空间利用率和自供电显示，Li等[35]基于该结构报道了一种圆柱螺旋摩擦电纳米发电机(spiral triboelectric nanogenerator，S-TENG). 结果表明：在2.5 m/s的滑动速度下，S-TENG可以产生的短路电流(ISC)、开路电压(VOC)分别为30 μA和40 V. 它不仅能产生高功率输出提供给显示装置，而且能用作集成在测量尺上的自供电位移传感器. 因此，TENG器件在自供电测量系统中具有良好的应用前景.

总结前文，上述TENG均为一层结构，仅通过提高摩擦层的表面电荷密度很难提高输出性能. 为了进一步提高TENG的输出性能需要提高其有效摩擦面积. 因此，利用单一柔性基底制备的多层叠加的TENG不断被研发出来. Bai等[36]利用堆叠多个TENG的方法，无须增大器件整体的面积，实现了在同等器件面积上TENG输出功率的多重叠加，实现TENG输出性能的有效提升. Chun等[37]通过表面功能化设计的互锁阵列的TENG得到高功率输出，同时克服了现有电介质材料的局限性及其低电导率. 这为今后开发具有高电压和机械性能的便携式和穿戴式自供电电子设备提供了可行性路径.

综上所述，垂直接触- 分离模式TENG具有工艺简单、设计多样、成本低廉、容易集成、瞬时输出功率高等优点. 这种模式的TENG通常由一个外力的冲击来驱动. 一般TENG开路电压的主要是由2个摩擦层之间的分离距离决定；短路电流主要由2层间接触面积和接触分离的速率决定.

1.2 水平滑动模式

水平滑动模式的TENG是基于与薄膜水平方向平行的外力驱动下，滑动摩擦起电和平面电荷分离的过程. 与垂直接触- 分离模式相比，水平滑动模式在电荷分离过程不需要空气间隙，更加利于封装，并且可用于多种类型的触发. 根据文献[38-41]，为了优化输出性能并扩大其应用领域，研究者们开发了一些新型结构. 典型的水平滑动模式的TENG的原理如图4(a)[40]. 在初始位置，2种聚合物表面完全重叠和相互紧密接触. 由于尼龙和聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)位于摩擦电序列的两端[42]，因而摩擦起电导致尼龙表面带有正的净电荷，PTFE表面带有与其电荷密度相等的负的净电荷. 另外，由于摩擦电荷仅分布在聚合物的表面层，且聚合物绝缘性能非常好，因此在一个周期内电荷不会发生泄露[40]. 随着上平板开始向外滑移，两板间接触面积减小，导致平面内电荷的分离，使上平板具有更高的电势. 从而在电势差的驱动下，电子从下电极流向上电极. 在滑动过程中，电荷将不断流动，使分离电荷不断增加，直到上平板完全滑离下平板，摩擦电荷表面完全分离. 为了保持静电平衡，当上平板重新滑回时，随接触面积的增加，电极板上多余的转移电荷会促使电子通过外部负载从上电极流回下电极.

为了提高表面的摩擦电荷密度[43-44]，研究者利用等离子体刻蚀[45]对PTFE薄膜进行干法刻蚀，得到了均一的纳米线结构，平均长度约为1.5 μm，从而增加了表面粗糙度和有效表面积. 由实验得到：TENG产生的JSC和VOC分别为4.1 mA/m2和1 300 V，它作为一个直接的电源，即时可驱动数百个串联发光LED. 因此，这种模式的TENG对今后研究摩擦纳米发电的商业化应用提供了可行基础.

另外，Jing等[41]基于此模式通过设计一种封闭结构式TENG，利用直接作用力或惯性力的往复运动来产生能量，并且依靠圆柱体滑动表面是细栅状结构的电极对产生交变电流. 实验结果表明该TENG在140 kΩ外载上，滑动速度为1 m/s时，平均有效输出功率为12.2 mW. 为了收集生活中旋转运动产生的能量，Lin等[39]设计了一种采用分段式圆盘结构的旋转TENG，如图5所示. 此TENG具有更精细的分段和更大的旋转速度，从而使电极之间通过外部电路产生更快和更高的连续电荷转移，产生高频率的大电流输出(转速为1 000 r/min时，获得在66.7 Hz下的电流为117.6 μA. 由于圆盘状的TENG发电过程与摩擦电荷分离速度的大小和分离速率有关，因此研究者设计了3种TENG(见图5(d)～(f)). 研究发现[39]：1) 分割模式越细使得电荷在外部负载间转移越快，单个旋转周期内TENG的发电量越大，极大地提高了功率转化效率； 2) 不同转速下对TENG进行相关电学测量，得到JSC随转速的增加而线性增加，而VOC不受速度的影响.

以上分析表明，通过光刻蚀技术将圆盘设计成更多的栅格可以大大提高输出电流. 并且，使用圆盘状TENG的输出电流的大小与转速的线性关系可以用于有效测量旋转圆盘结构的角速度大小，使其在汽车制动系统和变速器方面具有潜在应用. 总之，水平滑动式TENG相比较于垂直接触- 分离模式的TENG，不需要空气间隔将两表面分开，有利于后续的封装工序，并且可以在平面或旋转滑动的模式下进行操作. 另外，还可以通过改进基本装置结构用于提高其输出性能，扩展其应用领域.

1.3 单电极模式

以上2种工作模式的TENG至少需要将其中一个电极连接到运动的物体上. 然而，在实际生活中，若TENG的一个接触面是可以自由移动的，则面临自由移动端电极导线跟着移动的情况，不利于转动式TENG的运行. 为此，研究者们提出了2种全新的TENG工作模式：单电极TENG和独立层TENG.

1.3.1 接触分离单电极结构

Meng等[46]提出了一种接触- 分离式的单摩擦面TENG,如图6所示.

在单电极模式下设计具有微图案化PDMS表面的TENG，即使用手敲击，也能获得不错的JSC和VOC输出(1 μA/cm2和130 V). 他们将PDMS作为一个摩擦面，在其表面做了微尺寸的棱锥体；在酯(polyethylene terephthalate,PET)基底背面镀了一层透明的氧化铟锡(indium tin oxid,ITO)导电电极；将Cu膜被作为参考电极. 依据不同的应用需求，参考电极可以放在主电极的旁边或下边. 利用带有微结构的PDMS表面可以制备出具有良好的柔性和透明度的TENG器件. 发电机理如图6(d)所示，以大地作为一参考电极，TENG上摩擦产生的电荷在接触分离过程中不断在大地和TENG之间流动，形成电流.

1.3.2 平面滑动单电极结构

Yang等[47]报道了一种基于单电极的滑动模式TENG，如图7所示. 他们选用PTFE和Al当作为一对摩擦层，并且Al为一个电极. 其工作机理是通过调节摩擦带电PTFE贴片与Al基板之间的相对滑动距离，实现Al电极与地面之间的电荷转移. 设计的优点是只需要底部Al电极接地，顶部PTFE贴片不需要电接触，有利于汽车中旋转模式和触控板的能量采集[47]. 此TENG也是有利于研发基于触摸板技术的自供电位移矢量传感器系统. Al电极上的线性光栅可以检测PTFE贴片当沿一个方向时的滑动速度. 这种模式的TENG的VOC高达1 100 V，峰值电流密度可高达6 mA/m2，其可以直接同时点亮上百颗LED.

综上所述，单电极结构只需要一个电极连接到TENG的一个摩擦层上，而另一个电极作为电势的参考电极可以直接接地. 一般情况下这种模式的TENG的总电学输出只有相应的双电极工作模式的一半，其中电荷损耗是导致输出下降的主要原因[48]. 但是由于一个摩擦面可以自由移动，因此在自供电的传感器方面有很广泛的应用，如可视化的触摸传感器[46,49]、速度传感器[50]、压力传感器[49,51]、健康检测传感器[52]等等.

1.4 独立层模式

1.4.1 滑动式独立层结构

独立层模式的TENG通常包含一独立层和一对静止的电极. 基于接触起电和静电感应，将一对对称电极置于介电层之下，两电极之间的独立层移动产生不均匀电荷分布，诱导电子在两电极之间移动使得局部电势平衡. 2014年，Wang等[53]设计制作了第1种独立层模式的TENG，即滑动式独立层TENG. 经数值模拟和实验证明，这种新模式的TENG能产生10 kV以上的VOC，且在每次滑动中产生与摩擦电荷数量相等的有效电荷转移，并且在负载条件下，一个TENG可以得到的最大功率密度为6.7 W/m2. 对于导体- 电介质独立层TENG，在切向力驱动下，氟化乙烯丙烯共聚物(fluorinated ethylene propylene,FEP)可以在两电极间往复运动，在两极间负载上会形成交流电[50]. 接触模式下TENG(见图8(b))，初始时电介质FEP与电极间没有电荷，所有净电荷均由接触后摩擦产生获得相等量的正负电荷. 当FEP与第1个电极完全重合时，回路中的正电荷全被吸引到第1个电极的上表面；随着FEP向右滑动，回路中负电荷通过负载从左电极流向右电极；当FEP与右电极重合时，所有的正电荷将流入右电极；最后FEP反方向从右边电极向左边电极移动(与正电荷移动方向相同)，从而形成发电过程整个周期.

对于非接触模式下的TENG(见图8(c))，FEP在摩擦之前已经带有电荷，当FEP与电极的垂直距离远小于两电极的间距时，通过FEP在两电极之间摆动，FEP表面不可移动的摩擦电荷同样可以引起一部分的电荷流动. 图8(d)所示的是基于2种不同电介质的摩擦起电作用：当FEP膜滑动至尼龙薄膜表面时，负电荷从尼龙表面进入FEP表面. 由于尼龙表面的正电荷一直处于静止状态，不能为电荷在负载上的流动提供驱动力，因此电荷流动所需驱动力全部来自于带负电荷的FEP膜的滑动.

1.4.2 接触式独立层结构

Wang等[54]随后设计了第2种独立层TENG，即接触式独立层TENG，如图9所示. 它是基于垂直电荷分离，独立层在两电极之间周期性振动使电极间的电势发生变化，从而在外接负载上产生电流. 此TENG是第1个基于摩擦带电的自供电振动传感器，可以量化振幅和频率，当它工作在谐振频率时，能有效地感知非常细微的振动(在实验演示中，其振幅低到3.5 μm，电极尺寸为10 cm×10 cm，电极之间的间隙为2 cm). 在共振器与铝盘接触中，所有正电荷被吸引到上电极；随后带负电荷的共振器向下面的铝电极运动，驱动电子从下电极流经外接负载至上电极，产生一个瞬时电流. 共振器接触到铝板时，所有正电荷将出现在底部电极上；接着，共振器反向运动驱动电子通过负载产生第2个峰值，直至共振器回到初始位置，为一个完整的周期接触(见图9(d)). 这种结构的TENG有利于收集环境中的振动能.

近年来，研究者们还对以上2种结构的TENG进行了结构的优化和通过对摩擦层进行了刻蚀纳米线获得了如栅状电极结构[55-56]、旋转轮盘状结构[57]和径向排列结构[58]，实现更高的输出特性. 它们的发电原理分别与其对应的基本模式(滑动式或接触式独立层模式)发电原理类似. 径向排列结构的TENG当以3 000 r/min运行时，在匹配负载约0.8 MΩ时，获得的TENG的最佳平均输出功率为1.5 W，平均输出功率密度为19 mW/cm2，证明了此TENG的输出功率足以驱动日常使用的电子设备，并解决了摩擦起电发电概念的最关键问题. 并且，Tang等[59]基于径向排列结构，将TENG与水分解装置耦合，研制了水分解系统. 当TNEG纺丝速度为600 r/min时，质量分数为30%的氢氧化钾(KOH)溶液的产生氢速率为6.25×10-3mL/min；当KOH溶液被纯水代替时，由于TENG的高电压输出，该系统的制氢效率甚至是由电化学工作站驱动的10 V制氢效率的4倍.

通过以上分析发现，将独立层模式的TENG与单电极模式的TENG相比，其相同点是均不要求将电极设计在器件的非移动部分，从而方便TENG移动部分的自由运动. 不同点是前者不受单电极模式静电屏蔽效应的干扰，提供的能量转换效率更高，因此，可以提供更高的输出功率.

1.4.3 其他结构

大部分的TENG在相互摩擦时2种摩擦材料层之间存在薄层空气间隙. 这层空气间隙为1～3 μm，会影响电势差和电荷密度，如果没有空气间隙，TENG输出性能也会受影响. 空隙的出现会使器件的封装出现问题，且限制TENG在液体环境中的应用. Chun等[60]研发了一种利用多孔结构中的金NPs和PDMS基底实现接触和分离过程的TENG. 它利用内部充满金NPs的微孔洞薄膜来有效提高TENG的输出性能，不需要上述的空气间隙. 实验结果表明：金纳米粒子的空间分布使得制备嵌金纳米粒子的介孔TENG成为可能，其在循环压力下的高输出功率为13 mW，与在相同机械力下的平面基TENG相比，功率提高了5倍以上.

由于大多数的TENG是基于固体材料[38,40-41]，其摩擦层之间接触的有效性会受到两表面间的粗糙度和匹配度的影响；同时，固体之间的摩擦将导致热量的生成和耗散. 以上2点因素会极大地限制TENG效率的提高. 液态金属具有电导率高、灵活性好等优点，相比固- 固接触、液- 固接触会增大接触面积，使得摩擦层接触更加紧密且摩擦因数降低. Tang等[61]设计的新型的液态金属基TENG(liquid-metal-based triboelectric nanogenerator，LM-TENG)，其显示出430 μC/m2的高输出电荷密度，是使用固体薄膜电极时的4～5倍，且功率密度可达到6.7 W/m2和133 kW/m3. TENG的发电过程如图10(b)所示. 研究发现，这种TENG的输出电荷密度超出固- 固接触型TENG的4倍，能量转化效率达70.6%[61].

2019年，Li等[62]报道的一种电晕充电增强柔性TENG，实现了同时具备高电力输出和灵活性. 此TENG(3.5 cm×3.5 cm)的VOC、JSC和功率密度可分别达到275 V、9.5 μA和802.31 mW/m2. 与不带电晕的器件相比，TENG器件的VOC提高了244%. 另外，其整体厚度只有1.3 mm，质量1.7 g，这使得它适合附着在人体上，从生物力学运动中获取机械能，为便携式和可穿戴电子设备供电方面显示出了巨大的潜力. 此外，通过将TENG与太阳能电池相结合构建的新结构，可以实现从阳光和雨滴中发电[63]，为人们在不同的天气条件下从环境中收集能量提供了一种有效的方法. 这为今后研究提高太阳能电池的性能提供了一种新思路.

综上所述，综述了TENG的4种基本工作模式和工作原理，以及通过结构优化、合理的材料选择和纳米级的表面改性后的高级结构. 这些高级结构可以增大摩擦层之间的有效接触面积，提高表面电荷密度，使TENG的输出特性提高，扩大TENG的应用领域.

2 摩擦纳米发电技术的潜在应用

TENG的优点是可以收集生活中各种机械能来转化为电能，因而在生产和生活方面具有广阔的应用前景. TENG和传统的电磁感应发电相比，能源收集形式多样，且输出电压较高，可达千伏以上，能形成高强电场. 同时，其收集的微弱机械能产生的电能可有效反映出机械运动的状况，因而在信号传感和器件性能调控等方面具有广泛应用前景. 以下分别通过用作功率源、电压源、信号源、控制源4个方面来阐明摩擦纳米发电技术的潜在应用.

2.1 摩擦纳米发电作为功率源的潜在应用

2.1.1 风能收集

在气候变暖和能源危机的全球性危机情况下，风能作为一种大自然馈赠的重要机械能被广泛认为是一种重要的可再生绿色能源[64]. 但基于电磁感应发电技术的传统风力发电技术具有体积大、质量大、成本高、低风速驱动难等问题[65]. 虽然双压电晶片换能器结构在一定程度上解决传统风力发电的启动速度低的缺点，但其结构较复杂、输出效率低，在弱风速情况下同样难以广泛应用[66]. 因此，开发新型风力发电技术，并将其推广到较大的适用范围(尤其是弱风环境下)和人们的日常生活中，具有很大的必要性和现实意义.

Zhao等[67]设计了一种2D结构的独立编织摩擦电纳米发电机(woven triboelectric nanogenerator，WTENG)旗，可以从任意方向获取高空风能，如图11所示. 当匹配电阻为6.5 MΩ时，输出峰值功率密度最大值达到135 mW/kg. 研究发现，这个2D WTENG标志也可以在多层的平行连接中叠加，以实现线性增加的输出. 此外，WTENG旗质量轻、成本低、易于扩展，在天气/环境传感/监测系统中有着巨大的应用前景.

Yang等[68]首先报道了用于收集风能的基于颤振摩擦起电的非转动式TENG，如图12所示. 通过将FEP膜的一面固定在管底部开端的中间，另一面可以自由移动，在风驱动的振动下，2个铝箔与FEP膜间的间距会发生周期性碰撞与摩擦，从而获取外电路的输出电压和电流. 研究表明，100 MΩ负载下，一个TENG整流后的VOC与JSC分别为20 V和0.5 μA，4个TENG的VOC与JSC被分别提高到100 V和1.6 mA. 图12(h)展示了4个TENG的能量可以直接作为功率源点亮40个绿色LED.

此后，Li等[69]提出了一种转动式滑动独立层模式TENG. 研究发现：利用风力同时来收集风能和控制摩擦层间接触和非接触状态的自由转换，可以实现极高的稳固性. 结果表明：在10.8 m/s风速下，非接触状态的TENG的电荷足以点亮30个LED. 将此TENG安装在汽车上，可以通过汽车运动产生的风能转化为电能. 汽车的运动可以有3个阶段，加速、减速和匀速. 当汽车起步或快要停止时，车载TENG处于接触状态来恢复电荷；当车高速运动时，TENG处于非接触状态. 这样2种状态的自由转换可以实现TENG长时间运行. 当TENG安装在10 m/s的汽车上时，其作为功率源足以点亮20个串联的TENG.

2.1.2 机械振动能收集

在自然界中，大部分机械振动的方向和频率是不固定的，因此很难有效地进行能量采集. Yang等[70]通过提出一种三维结构的TENG，如图13所示，它既可以工作于垂直- 接触分离模式，又可以工作于水平滑动模式. 研究者进行了3组实际应用研究. 第1组是将三维TENG安装在一个电缆上，在风吹或雨滴的微小扰动下，所采集的振动能可有效点亮40个LED(见图13(b)). 第2组是将三维TENG捆绑在人腿上，通过采集行走过程中人体的振动能，可以有效点亮40个商用LED(见图13(d)). 第3组将三维的TENG固定在自行车车轮上，在车轮转动过程中，30个串联的商用LED可以直接被点亮(见图13(f)). 以上研究表明TENG在日常生活中具有一定的实用性，并且基于其体积小、结构多样且环保无污染等特性，有望在以后会得到广泛应用.

在日常生活中，由于声震动常被认为是一种噪声污染，很少被用作能源，而Yang等[71]通过设计第1个收集环境中声音震动能量的有机薄膜TENG. 该器件由PTFE薄膜和多孔铝薄膜电极构成，在应变条件下，能够直接将声波能量转换成电能，TENG最大功率密度为60.2 mW/m2，这些能量可以同时点亮17个LED. 在一个固定的声压110 dB下，VOC和ISC在不同的开孔率0.1、0.3和0.5时的输出电压和电流可分别达60 V和15 μA. 此外，通过选用一个立方体边长为8 cm的腔体作为器件的亥姆霍兹腔体，当声压为110 dB和共振频率为240 Hz情况下时，TENG可以同时点亮17个商用的LED.

2.1.3 人体运动能收集

身体运动是驱动可穿戴电子设备的最理想的能量来源. 为了使TENG能够有效收集身体运动能，多种结构的TENG被开发出来. 2019年，Zhang等[72]设计了一种新型的斜微阵列结构，制备出高性能的纺织基耐磨摩擦电纳米发电机(wearable triboelectric nanogenerator，WTNG)，如图14所示. 当具有斜向PDMS纳米棒的TENG在工作条件下均匀弯曲并沿单向滑动时，可以有效地提高复合材料的接触面积. 斜微结构使TENG产生的JSC和VOC分别达到3.24 μA/cm2和1 014.2 V，最大峰值功率密度达到211.7 μW/cm2. 可以使48个红色LED通过敲击TENG而同时发光. 因此，此TENG可以在肘部上穿衣不断从人体运动中获取能量，作为一种可持续的动力源.

Zhong等[73]报道了第一个纤维基TENG，它可用于给电容充电，驱动LED和无线传感系统，证实了利用自驱动智能衣来驱动可穿戴电子设备和生物医学应用的可能性. 此TENG的制作过程如图15(a)所示，它是由2种改性后的棉线相互缠绕而成：涂有碳纳米管的棉线(coated cotton thread,CCT)和涂有PTFE以及碳纳米管的棉线(carbon nanotube coated cotton thread,PCCT). 工作原理如图15(f)所示，类似于垂直- 接触分离模式TENG，在棉线之间会产生交变电荷流动. 在周期性振动下，得到的输出电流经整流桥后给电容充电，在27 s内充电可到2.4 V，用于点亮一个LED. 纤维基TENG也可用于驱动一个自制无线体温检测系统.

2.1.4 海洋能收集

目前，传统的电磁感应发电机在收集海洋能存在诸多挑战，如难以采集低于3 Hz的海浪产生的机械能. 因而，简单、可靠、成本低廉的TENG提供了一种全新的大规模海洋能采集的方式. 2013年，Lin等[74]提出第1个基于水体的TENG，它是利用PDMS和水体的接触分离来产生电能. 选用去离子水作为实验用水，在电机的控制下，PDMS会以一个恒定的2 Hz频率与水体进行接触分离，TENG的VOC是可由0 V升至82 V. 此外，通过一个整流桥，器件的交流输出形式有效地变为直流输出，并且给一个33 μF的电容器充电. 该工作首次证明通过TENG可以有效和水结合起来收集水波运动的机械能.

Cheng等[75]提出了一种水轮结构的TENG，能够同时对环境中的机械动能或静电能进行采集. 杂化后的TENG被速度为54 mL/s的水流冲刷时，20个商用LED被同时点亮；同时，一个407 μF的商用电容器也可以被快速充电. 另外，考虑到广阔的海洋上具有无限的波浪上下运动机械能，一种基于网络状结构的TENG群[76]被提出，如图16所示，用于采集大规模的海洋能. 根据1 t海水的实测输出量，预计每平方千米的海面TENG平均功率输出为1.15 MW. 研究者将一个由4个单元并联的小型网络TENG漂浮在游泳池中进行波浪能采集，当清风吹过水面，所激起微波可以使器件工作并驱动一个自供电的SOS(见图16(f)). 实际应用中TENG系统的网络结构示意图为图16(i)，并且此结构的TENG适用于采集各种水波动能，理论上适应所有的海面区域[76].

2.2 摩擦纳米发电作为电压源的应用

TENG除了作为功率源外，由于它的高电压输出性能，一方面可以直接驱动电响应材料和设备[77]，包括介电弹性体、压电材料、铁电材料、场发射和质谱计等；另一方面其数千伏的高压和表面存在的高强电场是空气净化领域的理想能源[3,78-79]. 在空气净化系统中使用TENG有以下几个优点[80]：1) TENG可以有效地从周围环境中获取机械能，因此系统的运行不需要外部电源；2) 通过摩擦电效应产生的大量静电和形成的高压电场可以通过静电吸附作用大大提高系统的去除效率；3) 尽管TENG产生高的电压，但在运行过程中不电离空气，因而没有副产物如臭氧等排放.

2014年，Han等[81]提出的一种基于圆盘的设计，模拟汽车刹车片处于接触和非接触模式时收集能量，为从旋转机器(如自行车、汽车和火车)中获取能量提供了一种现实的技术. 该设计基于一个连续的摩擦带电过程和静电感应过程，当2个圆盘同时处于接触和非接触模式时就可以产生电能. 在接触模式下，输出电压是540 V，输出电流密度为43 mA/m2. 在非接触模式下，输出电压达到65 V，输出电流密度为3.4 mA/m2，功率密度为221 mW/m2，匹配负载电阻为20 MΩ. 次年，Han等[82]再次设计了一种自供电摩擦电汽车尾气过滤器，用于去除汽车尾气中颗粒物(particulate matters,PMs). 此TENG是利用静电吸附效应去除气溶胶颗粒，其中高静电场是由摩擦电荷形成的，不需要外界供电. 该装置主要由PTFE球和两个平行的铝电极板固定在一个绝缘的立方型腔上组成. 当垂直方向的振动施加到腔体上时，PTFE球由于惯性与2个电极板发生上下碰撞，在PTFE球表面形成摩擦电荷. 由于PTFE电负性高，电子首先从一个铝电极注入PTFE球，导致PTFE球团表面带负电荷，铝极板带正电荷.

通过有限元模拟表明，PTFE颗粒与电极之间的碰撞或摩擦会产生大量的摩擦电荷，形成高达12 MV/m的空间电场，2个电极之间的开路电压为6 kV，而实测电压也约为3 kV. 由图17(c)可以看出，与干净的PTFE颗粒相比，粗糙的PTFE颗粒，O和C的含量显著增加，并发现大量的杂质元素，如N、Si、Na和S，这些均与汽车尾气颗粒物中的硝酸盐、硫酸盐等物质相对应. 并且经研究得到[82]，汽车尾气中的颗粒物尺寸主要分布在80～300 nm，通过摩擦电汽车尾气过滤器收集汽车尾气的震动能，可以实现对这些尾气中细颗粒物高达95.5%的过滤效率. 该研究对目前面临的由汽车尾气引起的雾霾问题提供了一种方便且有效的解决思路.

此后，Liu等[83]以聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride，PVDF)电纺丝制备纳米纤维薄膜和呼吸驱动的TENG为基础，研制了一种新型的自供电静电吸附面罩. 利用超细粒子通过静电纺PVDF纳米纤维薄膜作为摩擦层和滤网，在呼吸作用下持续摩擦提供静电荷和电场实现对颗粒物的静电吸附过滤. 研究发现，对粗颗粒和细颗粒的去除率大于99.2%，面罩连续摩擦运行240 min后，超细颗粒的去除率仍高达86.9%. 间隔30 d后，面罩的过滤效率仍然高达95%以上. 在不同湿度的外部环境下，面罩对不同尺寸的颗粒物同样具有良好的过滤效果. 因此，基于TENG高电压和电场特性，在颗粒物净化上体现出很好的应用效果.

基于以上分析，证实了TENG可以收集生活中的各种机械能转换为电能，利用电能产生的高强电压和电场，实现其在空气净化领域的应用.

2.3 摩擦纳米发电作为信号源的应用

TENG基本原理是基于2种不同材料相互接触或摩擦产生的电荷转移，因而可以通过对电荷转移情况的监测来反映微小接触情况，这为TENG作为信号源在传感领域的应用提供了得天独厚的优势.

2.3.1 自驱动触摸传感器

Zhu等[84]利用单电极TENG进行触摸传感，结构如图18(a)所示. 利用摩擦层- 氟化乙烯丙烯共聚物(fluorinated ethylene propylene,FEP)与外界物体的接触来产生摩擦电荷. 通过对此传感器进行性能测试发现，较大的输出电压可实时反映外界物体接触的情况. 实际应用中，将边长为1 cm的传感器与信号处理电路集成制备了一种无线传感系统，通过一个接触行为产生的电信号去触发报警器的报警声音，并伴有闪灯报警(见图18(d)). 此外，将器件(边长10 cm)铺在地毯下方，通过脚踏地毯可以产生15 V的输出电压，用这个电压同样可以触发报警器，实现对进入人员的传感与监控(见图18(f)). 与此同时，还可以用触摸来实现开关应用，触发电灯的开启和关闭(见图18(i)). 综上所述，这种触摸传感器及其整合的无线传感系统可以有很多重要应用，包括人机交互、自动控制、监控、遥感和安全系统等.

2.3.2 自供电人体活动传感器

对于收集人体运动能实现供电的自驱动系统在人体行为传感器方面有着广泛的应用[73, 85-86]，它们在没有外部电源的情况下能够实现能源自给. Niu等[87]通过利用这种自充电单元持续驱动多种商用电子设备实现了传感器在一些方面的应用，如图19所示.

首先人体运动充电单元被连接到商用温度传感器上，传感器利用热电偶传感外部环境温度，然后传感的模拟信号通过数模转换器进行数字化显示在液晶显示屏上实现可视化输出. 研究发现，即使在温和的1.6 Hz手掌拍击下，人体运动充电单元也可以提供足够的功率以保持温度传感器的连续运行(见图19(b)).

此外，研究者首次实现了自供电心电图系统(electrocardiograph system，EGG系统)用于人体健康检测，如图19(c)所示. 同时，研究者首次实现了自供电的计步器(见图19(d)). 当计步器保持正常功能时，Vstore从初始的5.02 V快速增加到5.67 V，这种快速增加是由于自供电TENG压力传感器导致的系统低功耗[87].

2.3.3 自供电- 声音传感器和录音

声波以一种特殊的形式无处不在地出现在周围的环境中. 因此，对声波的探测不仅对信息技术十分重要，而且对仪器设备系统和环境的监测有着重要的意义[88]. Yang等[71]基于亥姆霍兹共振器将声波转换成电信号的能力，研究了一种自供电的声音传感器，提供了一种适应性强、可移动且具有成本效益的技术. 如图20所示，4个不同尺寸大小的发电机NG1、NG2、NG3和NG4组成的一个系统，共振频率分别为350、650、1 100、1 400 Hz，从而器件的频带宽度可以有效地被拓宽至10～1 700 Hz，实现有效的自供电录音.

基于亥姆霍兹共振腔的TENG有很大的共振腔，限制了器件的实际应用范围. 为了改进结构，Fan等[89]通过利用微孔作为声音响应研发了一个超薄可卷曲的纸基TENG，如图20(e)～(h)所示. 他们研究得到：平面形态的TENG的方向性图是一个对称的蝴蝶形状，而卷曲形态的TENG的方向性图是一个严格对称的圆面，表明该器件在卷曲状态下的电学输出与入射声波方向无关，即可以有广泛的应用，包括能量采集方面，自供电的传感方面(如剧台现场录音、军事监测、多方向声音能采集等).

2.3.4 自供电起搏器

Zheng等[90]首次提出了一种利用TENG收集生物体内的机械能，如心脏跳动、肺的收缩扩张等，如图21所示. 他们通过将TENG植入活鼠体内收集周期性呼吸的能量，直接用于驱动起搏器. 为了演示TENG收集能量直接驱动医疗设备形成的自驱动系统的功能，将一个可调参数(刺激脉冲的频率、宽度和电压)的起搏器样品作为模型. TENG从动物呼吸中获取的能量储存在一个电容中，成功驱动一个起搏器原型来调节小鼠的心率.

通过研究发现，此TENG可以成功将小鼠正常呼吸的机械能转换为功率密度高达8.44 mW/m2的电能，利用TENG的电能储存在电容中，能够成功驱动起搏器样品调节小鼠的心跳. 这项工作展现了迈向终生植入式可自供电的医疗设备的重要一步. 2020年，Han等[91]设计了一种基于鱼胶的TENG，其产生的电能足以直接点亮50个商用LED；可以在不同的外力作用下产生不同的电信号，已经被用作一种自供电传感器，用于实时监测人类的生理信号，如手指触摸、关节运动和呼吸. 此外，Wang等[92]基于TENG研制的一种用于检测气动流量和液位的磁瓣式双功能传感器. 结果表明：它可以有效检测30～130 mm液位高度，为多功能摩擦电传感器的发展提供了广阔的前景.

2.4 摩擦纳米发电作为控制源的应用

近年来，研究者们通过将TENG与半导体器件耦合形成了摩擦电子学领域[93]，也就是将TENG用作了控制源，通过将机械运动转化为摩擦电控制信号，进一步控制半导体器件. Han等[94]通过耦合摩擦带电和等离子体发光，利用摩擦电致使等离子体放电的方式，在无须额外电源的情况下，获得了深紫外发光，扩展了TENG作为调压器件的应用范围. 同年，Zhang等[95]开发了用于演示组合逻辑运算的摩擦电子逻辑电路，首次提出了一种基于SOI晶片和可移动PTFE层的浮动接触电场门控摩擦电子学晶体管(contact-electric-field gated tribotronic transistor,CGT)，其可通过移动层和浮动栅极之间的接触和分离进行门控，如图22所示.

研究者利用2个集成的CGL，验证了摩擦电子NAND门的工作原理，2种输入力的运算结果符合NAND逻辑操作和互补金属氧化物半导体(complementary metal-oxide-semiconductor transistor,CMOS)逻辑电平标准的特点. 此外，通过将有机薄膜晶体管(organic thin film transistors,OTFT)与TENG耦合，研制出了有机摩擦学晶体管(organic tribotronic transistor,OTT)，用TENG的接触诱导静电势代替传统的栅电压来调制电荷载流子输运[96]. 研究者制备的一种接触带电门控发光二极管(contact-electrification-gated light-emitting diode,CG-LED)，如图23所示，实现了外部环境/刺激对电致发光器件的直接调制. 它相当于OTT和OLED与电压源串联，在这种连接中，施加物理接触可以调节OTT中的电流以及OLED的发光强度，实现了CG-LED的物理接触调制方式，如通过按压产生的发电电压，能够调控器件的亮度几乎从6.65 cd/m2线性降低至2.36 cd/m2.

之后，Li等[97]通过将有机晶体管存储器(organic transistor memory，OTM)和柔性材料的TENG耦合，提出了柔性有机摩擦晶体管存储器(organic triboelectric transistor memory,OTTM). 在触摸监控系统中，TENG是外部物理触摸的触发输入和复位单元，OTM是记录检测到的触发的存储单元，OLED用于视觉读取的触摸信号输出功能单元. 该系统可用于监控外部触摸和保护机密文件. 在通过外部触摸写入和擦除程序后，转移曲线的移位和返回在稳定性和重复性方面表现出了很好的性能. 总之，TENG与各种机械能收集及其应用的关系如图24所示，通过将自然界中各种机械能转化为电能，有望实现其在自驱动功能、空气净化、自驱动传感、器件性能调控等方面的应用.

3 结论与展望

摩擦纳米发电技术是一项革新的技术，它能够巧妙的将2种物体间摩擦形成的电荷转化为有用的电信号或电源，成为现代能源研究领域中最有效的能源获取方式之一. 摩擦纳米发电机凭借其灵活多变的结构，可以收集自然界中的各种机械能，如风能、海洋能、人体运动能及将各种各样的其他的机械震动转化为电能或电信号. 通过收集机械能产生的电能，可以直接作为功率源，为各种微纳电子器件供电；也可作为电压源，利用其高的电压和电场，在空气净化领域具有良好的应用前景；又可作为信号源，通过将各种机械运动产生的动能转化为电信号，实现机械信号向电信号的有效传递与传感；它还可以用作控制源，通过机械运动来产生电压，从而实现对各种半导体器件进行有效调控. 因此，摩擦纳米发电技术在机械能收集方面，特别是低频、弱机械运动条件下能量的转化，是最理想的方式，为自驱动功能型电子器件的发展提供新的思路.

摩擦纳米发电机凭借其先天的可柔韧性、体积灵活多变、易于制造、材料无污染等特点，以及良好的电学输出特性，在未来产业化发展方面具有广阔的应用前景. 然而，摩擦纳米发电虽然输出电压较高，但是受表面电荷密度饱和的限制，输出的电流远远低于传统的电磁感应发电，因而在大功率能源发电方面的应用会受一定的限制. 同时，摩擦纳米发电机是高阻电容型器件，在大量器件集成方面不遵守普通电源的串并联电压和电流的叠加规律. 因此，如何突破通过大规模的集成实现功率的叠加是摩擦纳米发电迈向大能源应用最为关键的一步.

摩擦纳米发电作为信号源在使用时具有高的灵敏度，且一般也不受到功率的限制，但外界静电感应产生的信号干扰是其作为信号源在走向应用过程中所要解决的重要问题. 在作为控制源的使用方面，同样开创了机械能调控半导体器件性能的新途径，但是摩擦发电过程中也同样面临表面电荷密度的不均或衰减、外界静电信号干扰等问题，在实际应用中仍需多方面考虑. 在作为电压源时，在利用摩擦电荷产生的高强电场实现除尘和利用摩擦电荷实现有害气体高效分解方面具有独特的优势，不易收到外界静电的干扰，因而首先实现了产业化，如摩擦电空气净化器、摩擦电口罩等. 因此，在摩擦纳米发电技术方面，有美好的应用前景，同样面临各种各样的挑战.

致谢

本工作感谢中科院北京纳米能源与系统研究所的王中林院士、张弛研究员、陈翔雨研究员、唐伟研究员、蒋涛研究员和陈宝东研究员在摩擦纳米发电领域做出的杰出贡献和对本工作的大力支撑.