浙理工尹鑫、熊杰/上大吴振跃/港理工夏书会、黄维扬最新综述Adv. Mater.：摩擦伏特纳米发电机的先进界面设计！

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2025-02-23 08:22

正文

随着能源与环境问题日益严峻，开发可持续能源技术备受关注。摩擦伏特纳米发电机（TVNG）是一种耦合了半导体物理效应和接触起电现象的新型能量收集技术，其具备直流输出特性、低阻抗和高能源利用效率等优势，在构建高效的分布式能源网络、支撑智能可穿戴及物联网相关应用等方面极具潜力。因此，如何合理设计TVNG以增强实际直流输出已成为当前的研究重点，这对于进一步拓展TVNG的多样化应用场景至关重要。为此，人们目前已投入了大量精力来探索先进的有机或无机半导体材料来改善TVNG的接触带电行为和输出。然而，TVNG的性能不仅高度依赖于所选材料的内在特性，还取决于其半导体界面设计。众所周知，界面设计一直是半导体器件的关键问题，它可以主导微观界面载流子传输，甚至宏观界面接触质量，进而充分释放半导体材料和器件的潜力。因此，先进的界面设计也是一种很有前途的策略，其可以帮助TVNG实现从简单输出性能改善到巧妙新功能构建的目标，从而拓宽其适用场景，促进该技术的多元化发展。近日，浙江理工大学尹鑫和熊杰教授、上海大学吴振跃教授、香港理工大学夏书会和黄维扬教授等人在 Advanced Materials 上发表了题为“Advanced Interface Design of Direct-Current Tribovoltaic Nanogenerator”的综述文章（DOI: 10.1002/adma.202417254）。本综述聚焦TVNG器件中关键的动态半导体界面，首先概述了界面摩擦伏特效应的基本原理，并总结强调了面向高性能和多功能器件需求的界面设计原则与关键参数。随后，系统回顾了基于不同界面类型的TVNG的多样化界面设计策略（图1）。此外，还对所涵盖的主题进行了总结并提出前瞻性的观点与见解。这篇综述及时更新了对TVNG界面设计的理解，并为开发设计高效、多功能的TVNG器件提供了指导。

图文导读

图1. 用于提高输出性能和扩展TVNG可适用场景的先进接口设计策略示意图

Details are in the caption following the image

图2. 聚焦于TVNG界面设计的出版物分析

图3. 新型直流TVNG与传统交流TENG的对比，以及界面摩擦伏特效应、不同动态半导体界面类型的相关示意图

图4. TVNG常用的导体、有机/无机半导体材料及其功函数分布

图5. TVNG中界面接触问题的示意图

图6. 用于优化TVNG界面载流子动力学的相关设计策略，包括功函数调控、表面态优化、界面修饰及界面插层工程

图7. 用于拓展TVNG的多能量协同收集能力的界面设计策略，包括摩擦-光耦合、摩擦-热耦合、摩擦-湿度耦合、摩擦-振动耦合

图8. 用于改善TVNG的界面摩擦损耗的相关设计策略，包括界面接触结构设计、界面润滑剂设计、及一些组合策略

图9. 用于拓展TVNG的柔性化应用的相关设计策略，包括基于织物/纺织品的界面设计、和基于有机半导体的界面设计

图10. 用于改善基于半导体-液体界面的TVNG器件性能和应用的相关界面设计策略

图11. TVNGs先进界面设计的前景与挑战

作者简介

尹鑫，浙江理工大学纺织科学与工程学院特聘副教授，硕士生导师，主要研究领域：可持续能量收集技术与转换; 微纳纤维的设计和柔性可穿戴应用研究; 智能纺织品。近年来在Nat. Commun., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Fun. Mater., ACS Nano, Chem. Eng. J.等期刊发表论文30篇，授权国家发明专利2项，主持浙江省自然科学基金、人才启动基金多项。担任Exploration, Battery Energy等多个期刊的青年编委。

夏书会 ，香港理工大学应用化学与生物工程系Research Fellow，主要研究领域：无机纳米纤维的柔性化及功能化设计与能量存储及转化的应用研究。迄今共发表SCI论文19篇，其中以第一作者或通讯在Adv. Mater., ACS nano, Chem. Eng. J., ACS Appl. Mater. Interfaces等杂志发表SCI论文7篇。担任Exploration等期刊的青年编委。

吴振跃 ，上海大学材料基因组工程研究院教授，上海市领军人才，主要研究领域：分子基极性功能晶态材料及其器件化; 材料基因工程; 新型金属有机硫化物的结构设计及合成。近年来在Nat. Commun., JACS, Angew., Adv. Mater.等期刊发表论文40余篇，主持上海市领军人才项目、上海市浦江人才项目等多项。

熊杰，浙江理工大学纺织科学与工程学院教授，博士生导师。中国复合材料学会荣誉理事，中国复合材料学会超细纤维分会副主任委员，2001年入选浙江省中青年学科带头人，2004年入选浙江省“151人才工程”。近年来，作为项目主持人或主要成员已完成973计划前期研究专项课题、国家自然科学基金、教育部科学技术研究重点项目、浙江省自然科学基金重点项目、浙江省经信厅和浙江省科技厅等20多项省部级及以上科研项目的研究工作。以第一作者和通信作者已在国内外核心学术刊物上发表论文300多篇，其中SCI收录近200篇，以第一完成人获2019年浙江省自然科学奖三等奖一项。主要研究方向：柔性电池及其在可穿戴设备中的应用；纳米纤维与纳米复合材料制备及应用；纤维及其集合体制备、结构与性能；织物风格与服装舒适性。

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