清华大学李津津课题组《AFM》：能源收集新突破！新型管状体效应纳米发电机实现超高功率密度

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2025-03-01 07:50

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在能源短缺与环境退化的双重挑战下，液 - 固摩擦纳米发电机（ LS-TENGs ）因其低成本、长寿命和环境友好特性备受关注。然而，传统封闭式 LS-TENGs 面临两大难题：功率密度低（仅微安级电流）和依赖外部液体供应（开放结构易受污染）。如何兼顾封闭结构的自持性与高功率密度输出，成为该领域亟待解决的核心问题。

近日， 清华大学高端装备界面科学与技术全国重点实验室 李津津团队 创新提出“管状体效应纳米发电机（ TBE-ENG ） ” ，通过巧妙设计内部电极结构并优化关键参数，成功将输出电流提升至 5.0 mA ，峰值功率密度达到 2169 W/m ³ ，远超现有封闭式 LS-TENGs 性能，为高性能自持能源装置的设计与应用开辟了新路径。相关成果以 “Fabrication of Tubular Electricity Nanogenerator with High Power Density by Bulk Effect” 为题发表于最新一期《 Advanced Functional Materials 》上。清华大学机械系博士研究生张涵莅为文章第一作者，李津津副教授为通讯作者。该工作得到国家自然科学基金，国家重点研发计划等项目的资助与支持。

【 TBE-ENG 的制备与工作原理】

研究团队突破传统界面效应限制，将体效应（ Bulk Effect ）引入封闭式结构。 TBE-ENG 采用双电极架构：外部铜电极（ Cu ）贴合氟化乙烯丙烯（ FEP ）薄膜背面，内部铂电极（ Pt ）垂直插入石英玻璃管中，与液体接触形成闭合回路。 FEP 薄膜因其高表面电荷密度与强疏水性，在与液体接触时形成双电层（ EDL ），通过周期性液面振荡触发电荷高效转移。具体分为三个阶段： t ₀ → t ₁ ：水接触 Pt 电极，正电荷从 Pt 电极流向 Cu 电极，产生瞬间电流峰值。 t ₁ → t ₂ ：水继续远离 FEP ，电荷转移持续，直至水改变方向。 t ₂ → t ₀ ：水向 FEP 流动， Cu 电极的正电荷流回 Pt 电极，直至水再次脱离 Pt 电极。

图 1. TBE-ENG 的制备。

图 2. TBE-ENG 的工作原理。

【 TBE-ENG 输出性能的影响因素】

系统地研究了不同因素对 TBE-ENG 输出性能的影响。实验结果表明， Pt 电极与 FEP 薄膜之间的距离（ D ）以及 Pt 电极相对于初始水面的高度（ H ）对输出性能有着显著的影响。当 D 为 40 mm 、 H 为 0 时， TBE-ENG 的输出性能达到最佳。此外， FEP 薄膜的厚度和液体的性质（ NaCl 溶液的浓度、 pH 值和液体种类）也对输出性能产生了重要影响。通过调整这些参数，我们能够进一步优化 TBE-ENG 的性能。

图 3. Pt 电极到 FEP 薄膜的距离 ( D ) 对 TBE-ENG 输出性能的影响。

图 4. Pt 电极到初始水面高度 ( H ) 对 TBE-ENG 输出性能的影响。

图 5. 不同参数下 TBE-ENG 的输出性能。

【 TBE-ENG 的电学特性和应用】

TBE-ENG 在注入 1 M NaCl 溶液后，峰值功率密度高达 2169 W/m³ （负载 51 kΩ 时），短路电流达 5.0 mA ，较传统封闭式 LS-TENGs 提升近百倍。其输出电流在 18 天连续运行（ 311 万次循环）后仍稳定在 3.8 mA ，耐久性显著。 TBE-ENG 可利用自来水、泉水、海水等多种水源发电。单个小尺寸 TBE-ENG （直径： 38 mm ，长度： 60 mm ）能轻易点亮 240 盏 LED 灯。这种 TBE-ENG 可以从各种工作场景中收集能量，方便地为电子设备供电，不受环境、位置、天气等因素的影响。