《Adv. Mater.》综述 | 面向摩擦电纳米发电机的先进电介质材料：原理、方法和应用

【研究背景】

摩擦电纳米发电机（TENG）具有多样化的结构和材料选择性、环境适应性、高能量转换效率和低成本等优势，能够实现微纳能量收集和自取能传感。电介质材料被广泛应用于TENG。一方面，电介质材料的接触起电（CE）性能与其元素组成、化学结构等密切相关；另一方面，材料的介电和陷阱特性决定了摩擦电荷的输运输行为，摩擦电荷产生的界面电场也会诱发电介质的偶极、界面等极化过程，从而影响TENG输出。近年来，电介质材料在助力TENG性能提升和多元应用方面取得了诸多进展，但缺乏从原理、方法到应用维度的系统总结与评述。

【文章概述】

近日，武汉大学肖淞副教授，李祎副研究员、中国科学院电工研究所章程研究员，罗毅助理研究员、湖北工业大学张晓星教授、北京科技大学查俊伟教授团队在《Advanced Materials》联合发表了题为“Advanced Dielectric Materials for Triboelectric Nanogenerators: Principles, Methods and Applications”的综述文章，总结了电介质材料的CE机制及TENG工作原理、常见摩擦电介质材料及电荷输运行为、高性能摩擦电介质的设计与优化改性方法、基于电介质材料的TENG典型应用等方面的最新研究进展，为面向高性能TENG的先进电介质材料设计、研发与应用提供了参考。武汉大学李祎，邓浩程和中国科学院电工研究所罗毅为本文共同第一作者。

【图文导读】

基于先进电介质材料的TENG：先进电介质材料被广泛应用于TENG并实现高性能微纳能源收集和自取能传感（图1）。文章首先介绍了电介质材料的接触起电机制及TENG原理，总结了常见的固体、液体和气体摩擦电介质材料，分析了摩擦电荷的输运行为。在摩擦电介质材料改性方面，详细阐述了表面改性（粗糙度、官能团引入、湿润性、表面电荷密度等)、体改性（介电常数、损耗、强度等）、介电耦合（气-固，液-固耦合等）和结构优化（多层电介质、电荷迁移调控等）策略的机制和案例。进一步地，展示了基于先进电介质材料的TENG在微纳能源、高压电源、自供电传感器、自供电医疗保健和蓝色能源等领域的最新应用。

图1 基于先进电介质材料的TENG及其应用

应用挑战及发展趋势：作者总结了先进摩擦电介质设计、制造和应用的发展路线和趋势。一方面，从高性能摩擦电介质设计理论、改性和表征方法、CE性能的适应性调控、面向工业应用的规模化生产等方面阐述了现阶段所面临的技术难点和挑战；另一方面，从大数据和人工智能辅助下的摩擦电介质材料研发、电介质和界面行为的匹配利用、摩擦电介质材料绿色低碳化等方面展望了未来的发展趋势。

图2 面向TENG的先进摩擦电介质发展趋势

来源：高分子科学前沿

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