近日，我系杨卓青研究员团队与中科院王中林院士合作在单液滴摩擦发电超高输出机理研究中取得重要进展。基于固-液双电层电容的界面效应和晶体管开关效应，将等效电路模型引入到水滴发电机中，使一点水滴在无需预充电的情况下即可实现超过100V的输出电压，大幅提升了水滴摩擦发电的效率。相关论文以“A Single-Droplet Electricity Generator Achieves an Ultrahigh Output Over 100 V Without Pre-Charging”为题在线发表于自然指数（Nature Index）顶级期刊《Advanced Materials》（影响因子：30.849）。
Advanced Materials 图
摩擦起电是自然界常见的物理现象，自2012年摩擦纳米发电机（TENG）被发明以来，摩擦发电已逐渐成为一种能源收集和自驱动传感的主流技术。摩擦纳米发电机耦合了接触带电和静电感应，由于其在收集低频、高熵能源方面所展现的独特优势，已在微纳能源、自驱动传感、高压电源和蓝色能源等领域得以广泛研究和应用。
基于摩擦纳米发电机的能量采集及供电策略
受场效应晶体管工作原理的启发，该研究工作将固-液带电界面形成的双电层电容引入电路方程，并建立了基于界面效应和开关效应的水滴发电机等效电路模型。在没有对固体表面进行预充电（电晕充电或电荷注入等）的前提下，仅利用储存在双电层电容内的电荷，使单纯的一滴水便能够产生高达100V以上的输出电压，与传统的静电感应发电方式相比，其电学输出直接提高了两个数量级。同时，该工作也对固-液界面等效电路方程、电学输出行为和界面理化特性进行了系统的分析，为相关研究人员深入理解水滴摩擦发电中的界面-开关效应机理提供了重要的理论基础和实验验证。
单液滴在疏水界面上的运动特性（高速摄影图像）
基于界面效应和开关效应的水滴发电机等效电路模型
该研究工作表明，对于固-液起电界面，不能单纯地利用传统的固-固起电界面输出方式（即静电感应），更让我们在机理上重新认识了固-液界面效应和开关效应对水滴发电输出效率的重要性，为水滴摩擦发电机的未来发展提供了有意义的指导，也为大规模收集天然液滴能等绿色能源的应用奠定了重要的理论基础。
上海交通大学为上述工作第一完成单位，电子信息与电气工程学院硕士研究生张起、博士研究生李亚辉为该论文共同第一作者。我系杨卓青研究员、中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士为该论文共同通讯作者。相关研究工作得到了国家重点研发计划 （2020YFB2008503），国家自然科学基金（No.61974088）和教育部装备预研联合基金项目（6141A02022424）的资助。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202105761
