【人物与科研】河南大学郑海务教授/中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士：掺杂和三维结构设计提高压电纳米发电机输出

导语

由便携式电子器件组成的传感器网络和物联网近年来取得飞速发展，但是由于数量巨大以及环境和健康方面等原因，如果每个传感器都用一个电池为其供电，这种传感器网络将难以实现。因此，压电纳米发电机作为一种机械能转换为电能的新技术，在物联网的发展中将会发挥重要作用。近日，河南大学郑海务教授与中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士合作，在该研究领域取得了新的进展（Adv. Funct. Mater., DOI: 10.1002/adfm.201904259）。

（从左往右：张亚菊，李辉，王中林院士，郑海务教授，张远征，朱泉泳，吴永辉）

王中林院士简介

王中林院士，中科院北京纳米能源与系统研究所所长和首席科学家、佐治亚理工学院终身校董事讲席教授、Hightower终身讲席教授。王教授是2019年爱因斯坦世界科学奖（Albert Einstein World Award of Science）、2018年埃尼奖（ENI award-The “Nobel prize” for Energy）、2015年汤森路透引文桂冠奖、2014年美国物理学会James C. McGroddy新材料奖和2011年美国材料学会奖章（MRS Medal）等国际大奖得主。他是中科院外籍院士、欧洲科学院院士、加拿大工程院外籍院士，国际纳米能源领域著名刊物Nano Energy（最新IF：15.548）的创刊主编和现任主编。

郑海务教授简介

郑海务，博士，河南大学教授、校特聘教授，博士生导师，中国物理学会电介质专业委员会地方委员会委员，河南省教育厅学术技术带头人，河南省高校科技创新团队牵头人。2015.5-2016.6在美国佐治亚理工学院做国家公派访问学者， 2017.3-2017.9在美国明尼苏达大学双城校区做短期访问学者。近年来在Nano Energy, Adv. Funct. Mater., J. Mater. Chem. A/C, ACS Appl. Mater. Interfaces, Appl. Phys. Lett.等SCI期刊发表论文70余篇。主要研究方向为基于纳米发电机的复合能量捕获和极化器件物理。

吴永辉老师简介

吴永辉，硕士，河南大学讲师，河南省电工电子类实验室建设专业委员会委员，主要从事电子电路设计及应用研究，基本电路与电子理论与实验教学。在传感器信号调理电路、小功率电源、能量收集电路等的设计等方面积累了一定的经验，近年来在Nano Energy, Adv. Funct. Mater., ACS Appl. Mater. Interfaces, Nanoscale等SCI期刊发表论文6篇。在课题组中主要负责电路设计工作。

前沿科研成果

掺杂和三维结构设计提高压电纳米发电机输出

由于柔性压电纳米发电机具有将周围环境中低频机械能转换为电能的能力，因此在物联网的发展中将会发挥巨大作用。通常来说，基于有机-无机复合膜压电纳米发电机的电输出取决于压电填料的压电性能和复合膜的应力传递能力，尤其是后者。然而直接用柔性基质包括压电填充物的柔性压电纳米发电机在受到外部机械刺激的时候，大部分应力会被柔性基质所吸收，因此造成压电纳米发电机输出不高。研究人员设想能否通过提高压电填充物压电性的同时，增加压电纳米发电机的应力传递能力，双管齐下，进而提高压电纳米发电机的输出性能。研究人员通过调研文献发现稀土元素钛（Ti）和钐（Sm）掺杂铁酸铋能够使铁酸铋的菱形相转变到菱形相与正交相共存的准同型相界（MPB），从而使压电性能明显提高。以此为突破口，研究人员采用冷冻干燥技术制备多孔互连压电陶瓷，以达到增强压电纳米发电机应力传递能力的目的。该方法使用硅胶作为柔性基质，纤维素为骨架，钛钐共掺杂铁酸铋（BSFTO）作为压电填充物，实验原料简单易得，基于多孔互连压电填充物制备柔性压电纳米发电机过程如图1所示。

图1：基于多孔互连压电填料制备柔性压电纳米发电机

（来源：Adv. Funct. Mater.）

图2（a）显示了BSFTO与纤维素冷冻干燥之后，BSFTO均匀分布在纤维上的SEM图像。图2（b）显示了冷冻干燥之后的样品经过高温烧结除去纤维素之后，BSFTO颗粒相互连接形成多孔三维互连压电填充物的SEM图像。由此制备的压电填充物程多孔状，并且相互连接，在与柔性基质复合的过程中，既保证与柔性基质充分混合，又能保证压电填充物相互连接。由此得到的压电纳米发电机在受到外力激励时，应力能够直接通过相互连接的压电填充物传递，因此具有更高的应力传递能力。

图2：样品（a）冷冻干燥之后和（b）高温烧结之后的SEM图像

（来源：Adv. Funct. Mater.）

随后研究人员对不同压电填料复合量的压电纳米发电机进行电性能测试，发现当压电填充物的质量分数为30%时的输出性能最好，开路电压、短路电流密度和瞬时最大功率密度分别达到16 V、0.62 µA·cm^-2和3.11 µW·cm^-2，可以和其他报道中的压电纳米发电机的输出性能相媲美。这说明冷冻干燥技术是提高压电纳米发电机输出性能的有效途径。在此基础上，研究人员还对未掺杂-未冻干（BPG）、掺杂-未冻干（BSPG）、未掺杂-冻干（3BPG）和掺杂-冻干（3BSPG）这四种压电纳米发电机进行性能测试，发现3BSPG的性能输出最好。四种压电纳米发电机性能参数见图3。

图3：四种不同类型压电纳米发电机的输出性能

（来源：Adv. Funct. Mater.）

在实验探究过程中，研究人员还发现掺杂对性能的增益与冷冻干燥对性能的增益，两者是相互独立互不影响的。具体增益效果见表1。将两种方法综合一起使用的时候，增益效果等于两者各自增益的乘积。

表1：掺杂和冷冻干燥两种方法对性能输出的增益效果。

（来源：Adv. Funct. Mater.）

研究人员意识到，如果能有理论计算来验证实验结果将会使本工作更加系统，逻辑更加严谨。因此研究人员利用多物理场仿真软件COMSOL对压电填料随机分布和本工作中的三维多孔互连分布两种模型进行仿真计算。通过计算，压电填料呈三维多孔互连分布的模型具有更大应力传递能力，因此复合膜表面也具有更大压电势。详细的计算结果如图4所示。

图4：通过COMSOL分析不同类型压电纳米发电机的应力传递能力和压电势

（来源：Adv. Funct. Mater.）

最后研究人员通过设计放大电路和比较电路，成功地将压电电压信号用作触发信号，实现了自驱动机械传感系统，可以无线近距离控制外电路中的家用电器。将该系统运用到灭火器中，消防员不用进入易燃易爆场景就可以进行灭火工作。展示图如图5所示。

图5：自驱动机械传感系统示意图

（来源：Adv. Funct. Mater.）

总结：

研究人员通过对压电材料的掺杂和合理的三维结构设计，有效提高了压电纳米发电机输出。并通过COMSOL仿真软件进行了验证。最后通过电路实现自驱动机械传感系统。该工作以” Performance Enhancement of Flexible Piezoelectric Nanogenerator via Doping and Rational 3D Structure Design For Self-Powered Mechanosensational System”为题发表在Adv. Funct. Mater.（DOI: 10.1002/adfm.201904259）上，第一作者为河南大学硕士生张远征, 通讯作者为河南大学郑海务教授、吴永辉讲师和中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士（论文作者：Yuanzheng Zhang, Mengjun Wu, Quanyong Zhu, Feiyu Wang, Huanxin Su, Hui Li, Chunli Diao, Haiwu Zheng, Yonghui Wu, and Zhong Lin Wang）。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委和河南省高校科技创新团队支持计划的资助。

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