可穿戴和便携式电子设备的几何式增长使得微电源的需求激增。通过压电、摩擦电、热电、光电等效应收集和存储环境中未被充分利用的各种形式的机械、物理能量驱动微器件，这种绿色、可持续的纳米发电机成为近年来的热点前沿研究方向之一。特别是基于压电、摩擦起电效应的柔性纳米发电机，可捕获人体运动产生的大量微弱的机械能转化为电能，吸引了广泛的关注。
压电纳米发电机
通常需要复杂的纳米材料生长步骤，然而其压电输出功率较低（< 0.1
mW/cm
3
），制约了其应用。利用摩擦起电效应和静电感应效应的摩擦纳米发电机功率输出可超过1 mW/cm
3
，可为小功率电子器件供电，亦可以给能源储存装置比如电容器充电。传统的摩擦纳米发电机的工作原理中最重要的一步是电荷的分离，需要在两种不同极性的材料间引入一个空隙，但这样给纳米发电机的组装和应用带来了很大的挑战，且会影响其耐用性和稳定性。
最近，
美国威斯康星大学麦迪逊分校的
Shaoqin Sarah Gong
教授
（通讯作者），
南通大学
Yanfeng Tang
教授
和
博士生
Qifeng Zheng
（共同第一作者）
研发了一种新的紧凑型摩擦电纳米发电机。这种紧凑型纳米发电机在不使用传统昂贵的压电材料，也无需使用传统摩擦电纳米发电机组装方法（引入空隙）的前提下，可获得非常良好的电能输出
（A new class offlexible nanogenerators consisting of porous aerogel films driven bymechanoradicals， Nano Energy, 2017, 38,401-411）。
图1.基于CMC/PDMS多孔柔性气凝胶的纳米发电机的制备和组装过程示意图
该研究通过冷冻干燥法制备了羧甲基纤维素（CMC）气凝胶，然后在其多孔表面镀上一层PDMS，再组装成基于CMC/PDMS多孔柔性气凝胶的紧凑型摩擦电纳米发电机（图1）。该纳米发电机在受到~0.05 MPa 压力的作用下，能输出30V的电压和4.5μA的电流，其功率密度达到2.1 mW/cm
3
（1.1 W/m
2
）。CMC和PDMS均为非压电材料，且组装过程中也没有引入摩擦发电机所需要的空隙，然而此纳米发电机的电能输出却非常优越。通过深入分析，作者提出了一种基于自由基的全新纳米发电机机理（图2）：多孔PDMS在压力作用下发生均裂产生自由基的过程中，CMC/PDMS 气凝胶薄膜的偶极矩发生显著变化，进而驱使电荷移动并最终输出电信号，并设计了一系列实验来验证这一机理。首先，比较了不同气凝胶材料（如：聚乙烯醇（PVA）和壳聚糖（CTS）对电信号输出的影响，发现气凝胶骨架对电信号输出没有太大影响；其次，比较了气凝胶多孔表面不同高分子涂层对信号的输出影响，发现在压力作用下能产生自由基的高分子其电信号输出很高；然后，研究了不同孔隙率对电信号输出的影响，发现孔隙率高、比表面积大的材料能更有效的产生自由基，从而获得更高的电信号输出；最后，在加入自由基终止剂后，纳米发电机的电信号输出显著减小。这些实验结果充分验证了该机理的合理性。
图2 .Si-O-Si键均裂产生自由基的示意图，以及其电信号输出并为LED灯供电
该工作通过巧妙的材料体系设计与简单的制备方法，结合压电纳米发电机和摩擦电纳米发电机的优势，研发了一种新型紧凑型纳米发电机，针对性地解决压电材料成本高、制备复杂，摩擦电发电机的电极间隙导致组装麻烦、应用受限等问题。该研究提出并验证了一种全新的纳米发电机工作机理，对未来高性能柔性能源捕获器件的研发具有重要的参考和指导价值。
