环境气氛对摩擦纳米发电机性能的影响及其在自供能气体探测方面的应用研究

Nanogenerators are a kind of devices which could effectively harvest the dispersed mechanical energy existed in the environment and convert them into electrical energy. The invention of nanogenerators provides an effectual way to the development of long-life micro power source. Various kinds of gases produced by human beings or by the natural world existed in the environment, when gases absorbed on the surface of a nanogenerator, some properties of the materials in the nanogenerator will change, such as its chemical compositation, energy band structure and the carrier distribution. This way, gases could affect the performance of a nanogenerator. Studying on how gases affect the performance of a nanogenerator will push the progress of nanogenerator and its application on the following three points. First, it will benefit to the improvement of nanogenerators’ structure and performance. Second, it will help to make nanogenerators working stable in the real environment. Third, it will be useful for the development of self-powered gas sensors. In this program, we will study the performance of triboelectric nanogenerators in different kinds of gases, and discover the mechanism of gases affected on triboelectric nanogenerators. Using this mechanism, we will try to optimize the structure of triboelectric nanogenerators, to improve the performance of triboelectric nanogenerators, to improve the stability of triboelectric nanogenerators working in gases, and further develop self-powered gas sensors based on the triboelectric nanogenerators.

纳米发电机是一种可以收集环境中分散的机械能进行发电的微型装置，其发明为长伺服时间微型电源的开发提供了一条有效的途径。环境中自然产生和人为排放的各种气体吸附在纳米发电机的表面时，会对材料的表面化学成分、能带结构、载流子分布等产生影响，严重影响纳米发电机的性能。研究环境中的气体对纳米发电机性能的影响，可以从以下三个方面推动纳米发电机及其应用领域的发展：1.促进纳米发电机的结构和性能的优化；2.提高纳米发电机在实际工作环境中的性能稳定性；3. 为自供能气体传感器的设计开发打下基础、提供指导。本项目拟研究在含有不同类型气体的空气中摩擦纳米发电机的性能，探索气体对摩擦纳米发电机性能的影响机制，利用这种机制，改进纳米发电机的结构，提高摩擦纳米发电机的输出性能、增强摩擦纳米发电机在气体环境中工作的稳定性，并且进一步设计出基于摩擦纳米发电机的自供能气体探测器。

纳米发电机是一种收集环境中分散的机械能发电的微型装置，摩擦纳米发电机作为纳米发电机的一种，因其结构简单、输出功率高等特点，受到研究者的关注。作为一种工作在空气中的器件，研究环境气氛对摩擦纳米发电机性能的影响具有重要的意义。本项目系统研究了不同气体环境中摩擦纳米发电机性能的变化，阐明了环境气氛影响摩擦纳米发电机性能的机制：1. 气体吸附在摩擦纳米发电机摩擦层表面引起的表面化学组分的变化是气体环境中摩擦纳米发电机性能改变的主要原因；2. 摩擦纳米发电机中的静电场促进极性气体的吸附过程，并导致摩擦层带电性质不同时由气体引起的摩擦纳米发电机性能变化的差异；3. 摩擦层的粗糙度影响气体吸附，较高的表面粗糙度使摩擦层吸附更多的气体分子并引起摩擦纳米发电机性能更大的变化；4. 当气体可与摩擦层发生化学反应时，首次接触气体时，摩擦纳米发电机性能发生不可以变化。以此机制为指导，利用环境气氛对摩擦纳米发电机性能的影响，开发了应用于气体环境中的摩擦纳米发电机，分别研制了基于摩擦纳米发电机的自供能气体探测器和在复杂气体环境中稳定工作的摩擦纳米发电机。其中基于摩擦纳米发电机的自供能气体探测器可实现对气体浓度的自驱动探测，并可避免环境中的紫外光对其气敏响应的影响；在复杂气体环境中稳定工作的摩擦纳米发电机的性能则几乎不受环境中气体的影响，保证其在复杂的气体环境中可以稳定的提供电能供应。