程纲教授课题组在Nano Energy上报道摩擦纳米发电机电压测量的通用校准方法

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近期，程纲教授课题组的研究成果“A general charge compensation strategy for calibrating the voltage of a triboelectric nanogenerator measured by a capacitive circuit”在国际著名刊物Nano Energy (IF=16.602, JCR一区)上发表。文章链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106056
       物联网（IoT）、人工智能、大数据等的发展需要各种各样的传感器，这些传感器具有数量巨大、分布广泛、无线可移动等特点，为其提供稳定可靠的电能成为亟待解决的问题。开发可以从环境中收集能量并转化为电能的新技术是一种可行的解决方案。摩擦纳米发电机（TENG）可以从周围的环境中收集各种形式的机械能，如风能，水流，机械振动和人体运动等并高效地转化为电能。TENG具有结构简单、成本低、材料来源广泛、低频下能量转换效率高等优势。在理想的开路状态，两个电极上都不应该发生电荷转移。如果在测量电压的过程中，电极上发生了电荷转移，将会使测量的电压值低于实际的电压值。因此，避免电极发生电荷转移，是准确测量电压（开路电压和输出电压）的关键。
       研究发现，有两种因素会在电压测量过程中造成电极上发生电荷转移。第一个因素是测量仪器（无论是电压表还是电流表）的接地端。除单电极模式的TENG外，TENG的一个电极与接地端直接连接，这使得电极和大地之间发生电荷转移，造成测量的电压值小于真实值。针对该问题，在之前的工作中，我们提出了非接地的电压测量方法，解决了电表的接地端所带来的电荷转移的问题。第二个因素是电压表的内部电容。内部电容的存在，造成TENG的电极和电容之间发生电荷转移，这会导致电压表测量的电压值小于真实值。因此，需要发展一种普适的策略对电压表测量的电压值进行精确的校准。

图  校准容性电路测量的摩擦纳米发电机电压的一种通用电荷补偿策略

        在本工作中，在对电容性测量电路进行分析的基础上，提出了一种通用的电荷补偿策略来校准TENG的测量电压。提出了固定电容反推法和变化电容拟合法两种方法来校准TENG的开路电压（Voc），并分别给出了校准后Voc的公式。首先，以水平滑动独立摩擦层模式TENG为例，用两种方法计算了校准后的Voc，其结果均与利用电流表测量（非电容性测量电路）的Voc相一致，验证了两种校准方法的正确性。对于TENG的其他三种工作模式，利用固定电容反推法对测量的Voc进行了校准，验证了该方法的普适性。最后，通过计算包含了电容的等效阻抗，对TENG输出电压随负载阻抗的变化关系进行了校准。本文提出了电荷补偿的策略来校准电压表所测量的TENG的Voc和输出电压，这对于TENG综合性能评估体系的建立具有重要的理论意义和应用价值。
         硕士研究生张文河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、河南省科技厅、中国博士后科学基金会和河南大学的经费支持。


        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。
       杜祖亮，男，1966年7月生，博士，教授，博士生导师，中原学者。特种功能材料教育部重点实验室常务副主任。教育部“长江学者和创新团队发展计划”创新团队牵头人，中国有序分子膜专业委员会副主任，教育部新世纪优秀人才，享受政府特殊津贴专家，河南省优秀专家，河南省特聘教授，河南省跨世纪学术和技术带头人。主持完成国家重大基础研究973前期专项、国家自然科学基金重大纳米研究计划、国家自然科学基金面上项目、教育部高校科技创新工程重大项目等国家级科研项目10余项；河南省创新人才项目、河南省杰出青年基金项目等省部级项目10余项。获河南省科学技术进步二等奖（自然科学类）2项；发表SCI学术论文200余篇；书（章节）2部；鉴定成果7项，发明专利24件（已授权14件）。主要从事高效能光电纳米结构材料与器件研究，在纳米结构材料的制备、组装、器件构筑及其光电性能等方面，形成了较系统的研究工作。结合分子组装（化学法）和纳米压印技术（物理法），建立了独具特色的纳米结构材料构筑技术，实现了纳米结构的大面积低成本制备；搭建了三类特色研究平台，实现了微纳区的光电测量。在国际上率先建立了双模板仿生矿化材料合成新方法；建立了低维半导体纳米结构受控表面态的表面势垒物理模型，研制了基于表面肖特基势垒的光电纳米器件；发现并阐明了微米/纳米有序结构的光电增强现象，为发展高效能薄膜太阳能电池和量子点发光二极管(QLED)开辟了新途径。