中国科大龚兴龙教授课题组JMCA：用于多模态传感和智能油水分离的功能性海绵基摩擦电纳米发电机

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近年来，智能电子产品的蓬勃发展推动了清洁和可持续电源的发展。摩擦电纳米发电机（triboelectric nanogenerators, TENGs），能够通过电荷转移收集广泛存在的机械能，成为一个研究热点。特别地，多孔结构基TENG，由于其比表面积大、模量低、质轻等优点，受到了广泛的关注。然而，目前研究主要集中在对其输出性能的改善，对其在多模态能量收集和传感、以及智能油水分离等领域的应用有待进一步探究。

中国科大龚兴龙教授团队通过牺牲模板法，设计并制备了一种基于磁敏海绵的环境友好型多功能摩擦电纳米发电机。该设计采用单电极模式，由多孔基体和导电聚合物层组成。外界机械激励作用的能量可以被TENG有效收集而转化为电能，该研究对外力频率、幅度和输出功率等参数进行了优化，并在10⁵次循环中论证了其稳定性。基于此，该TENG可以通过电容器储存电能并驱动小型电子器件，以及实时监测压力和步态。同时，基于磁致形变和摩擦发电的耦合效应，该TENG可作为自供电磁场传感器，且研究人员结合数值模拟揭示了这一点。此外，海绵基体的亲油疏水性和多孔结构赋予材料良好的油水分离性能，该TENG也表现出理想的磁场驱动/控制和主动感知特性，展现出用于智能油水分离领域的巨大潜力。

图1 海绵的制备及其形貌、力学性能表征

图2 TENG的工作机理和输出性能

图3 TENG的自供电磁场感知特性

图4 海绵的油水分离特性

图5 TENG的油污传感特性

综上，这项研究所开发的新型TENG既可用于机械能量收集和主动式磁场感知，也可用于智能油水分离，在可持续能源、自供电多模传感器和可控油污处理等领域具有广阔的应用前景。

以上成果近期以“Functional sponge-based triboelectric nanogenerators with energy harvesting, oil–water separating and multi-mode sensing performance”为题发表于《Journal of Materials Chemistry A》期刊上（DOI: 10.1039/d0ta12359e）。论文第一作者为中国科大工程科学学院硕士研究生刘帅，通讯作者为中国科大工程科学学院王胜副研究员和龚兴龙教授。

该研究得到了国家自然科学基金项目（11802303, 11772320, 11822209, 11972032）、中国科学院战略重点研究计划（XDB22040502）、中国科学技术大学国家同步辐射实验室联合基金（KY2090000055）、中国科大微纳研究与制造中心的资助和支持。

文章链接：

Shuai Liu; Fang Yuan; Min Sang; Jianyu Zhou; Junshuo Zhang; Sheng Wang; Jinsong Li; Shouhu Xuan; Xinglong Gong. Functional sponge-based triboelectric nanogenerators with energy harvesting, oil–water separating and multi-mode sensing performance, Journal of Materials Chemistry A, 2021, Journal of Materials Chemistry A, 2021, DOI: 10.1039/d0ta12359e.

https://doi.org/10.1039/D0TA12359E

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