程纲课题组：用于高效自驱动系统的集成同步触发机械开关的转动式脉冲摩擦纳米发电机

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近期，程纲教授课题组的研究成果“Rotational Pulsed Triboelectric Nanogenerators Integrated with Synchronously Triggered Mechanical Switches for High Efficiency Self-Powered Systems”在国际著名刊物Nano Energy (IF=16.602, JCR一区)上发表。
       物联网的发展需要数以十亿计的传感器。这些传感器需要合适的、可持续的能源供应。通过从环境中收集机械能并高效的转化为电能，摩擦纳米发电机（TENG）被用来发展自驱动传感系统。然而，TENG具有输出电压高、电流低的特点，因此需要合适的电源管理电路将其输出转化为稳定的低电压、大电流形式。但是，TENG的内部等效阻抗（1-100 MΩ）远大于电管管理电路的等效阻抗（一般小于1 kΩ），导致TENG的能量无法转移到电源管理电路中。在之前的工作中，我们课题组通过引入同步触发机械开关（STMS），发展了脉冲TENG（Pulsed-TENG）。STMS的引入降低了TENG的内部等效阻抗，实现了最大化的输出能量。然而，由于难以实现适合的STMS，转动式Pulsed-TENG的报道很少。而相对于其它工作模式，转动式TENG具有更高的输出性能、稳定性和耐久性。因此，实现旋转Pulsed-TENG对自驱动系统的发展具有重要意义。

      图 基于RF-Pulsed-TENG的自驱动系统

       在本文中，我们报道了基于与电极层同步制备的机械触发开关的新型转动式独立摩擦层脉冲TENG（Pulsed-TENG）。通过印刷电路板（PCB）工艺，一步制备了TENG的电极层和机械触发开关，简化了TENG的制备，提高了稳定性和耐久性。由于STMS的开-关状态可以与TENG的转速匹配，RF-Pulsed-TENG的输出电压和输出能量可以始终保持最大化，而不受转速和负载阻抗的影响。通过合理的设计，实现了交流（AC）、单向（UDC）两种输出模式的高效转动Pulsed-TENG，它们对应的电源管理电路的能量存储效率分别为51.6%和52.0%。结合齿轮箱和无源高效电源管理电路，新型的转动式Pulsed-TENG展现出了在高效收集和存储真实环境中杂乱无章的机械能方面的优势，且可以为一系列电子器件供电，包括计算器、电子表和温湿度计等，在基于TENG的自驱动传感系统方面展现出很好的应用前景。
       博士生尚婉玉和顾广钦博士为论文的共同第一作者，程纲教授和杜祖亮教授是本文的共同通讯作者。本工作得到国家自然科学基金委、中国博士后科学基金、河南省科技厅和河南大学的经费支持。
       文章链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105725


        文章来源：河南大学
         程纲，男，1978年1月生，博士，教授，博士生导师。2000年获得河南大学物理学学士学位；2003年获得河南大学凝聚态物理硕士学位；2008年获得吉林大学/河南大学联合培养凝聚态物理博士学位，师从邹广田院士和杜祖亮教授。2003年起，在河南大学特种功能材料教育部重点实验室工作，2013-2016年在美国佐治亚理工学院王中林院士课题组做访问学者。2012年入选河南省科技创新杰出青年，并入选特种功能材料重点实验室高层次人才培养A计划，2014年入选河南大学杰出青年培育人才，2015年牵头组建河南省高校创新团队，并获得国家自然科学基金优秀青年基金。多年来主要从事纳米结构和光电器件的研究，在纳米结构的构筑、表界面光电特性表征以及光电纳米器件方面开展了较为系统的研究工作，重点研发了肖特基势垒纳米光电器件、自驱动纳米光电器件、纳米摩擦发电机等新型器件。在ACS Nano、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Angew. Chem. In. Ed.、Nano Energy、Appl. Phys. Lett.等期刊发表SCI论文40余篇。主持国家自然科学基金3项，主持河南省科技项目5项。获得河南省科技进步二等奖2项。