文章导读
你还在为野外环境监测设备的供电难题焦头烂额？布线成本高、电池续航短、维护频率大，几乎成了行业通病。但清华周小红课题组的最新研究却用一套“自发电”系统打破了这个困局——不用插电、不靠电池，仅靠风、波浪甚至工人走路的摩擦就能持续供电。更关键的是，他们发现聚四氟乙烯与铜的电性能差异竟能提升三倍电输出，还设计出能将充电速度提升10倍的能量管理电路。这套系统不仅能实时监测氨气泄漏，甚至能直接驱动紫外灯灭活大肠杆菌。可当所有目光都盯着材料配比时，真正决定系统成败的，其实是那个被忽略的“阻抗动态匹配”设计——它到底是如何让微弱摩擦电能驱动高耗能设备的？
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（通讯员 王兴伟）摩擦纳米发电机（TENG）自驱动技术凭借其对环境机械能（风能、波浪能等）的高效收集与转化能力，为构建能源自给、智能互联的环境监测与治理体系提供了创新路径。清华大学环境学院周小红副教授课题组围绕TENG自驱动技术的结构设计与高效能量转换机制、多场景应用效果评价开展研究，取得了一系列成果。
在TENG结构设计与高效能量转换机制方面，课题组研发了多种类型的高性能TENG。针对滚筒型TENG，通过对比不同摩擦电材料，课题组研究发现，聚四氟乙烯具有高电离能和强电负性，而Cu具有相对较低的功函数（～4.5eV），两者在得/失电子能力上的巨大差异导致界面处电荷转移效率高，从而产生最高的电输出。通过结构优化，课题组确定了8栅格电极和滑动叶片式结构为最优方案，在实验中验证了其输出与转速正相关，并在130MΩ负载下获得了87.9mW的最大功率。课题组设计并提出了一种可穿戴接触-分离式TENG，采用柔性支撑结构和聚四氟乙烯作为摩擦层，通过人体运动驱动接触-分离过程，将步行、关节活动等机械能高效转换为电能。实验表明，其开路电压与短路电流均随运动频率呈规律性变化，输出性能稳定。课题组还研发了一套高效的“蓄能释放-动态调配”能量管理电路，解决了TENG高阻抗、高电压输出与低电压用电器需求不匹配的难题。测试表明，该电路能量转换效率高达88.76%，将TENG的匹配阻抗从130MΩ显著降至9MΩ，对储能电容的充电速度提升了10倍。
在多场景应用效果评价方面，配合半导体型Ga2O3/MXene氨气传感器的开发，课题组设计的滚筒型TENG在收集轴承的摩擦能的同时，实现了对生产环节氨泄漏的实时监测预警和机械故障诊断。基于可穿戴接触-分离式TENG与ZnO/GO氨气传感器耦合，课题组构建了一套无需整流电路与外部电源的自供能氨气传感监测系统。课题组还提出了具有“变阻抗”特性的摩擦-电磁混合发电系统驱动紫外（UV）汞灯，匹配其启动前后内阻的数量级变化（从GΩ级到MΩ级）。由手摇或脚踏驱动产生的能量足以直接驱动启动电压高约1000V的254nm UV汞灯，在20秒内可实现对108CFU/ml大肠杆菌的完全灭活。
摩擦纳米发电机（TENG）自驱动系统的设计和应用（上图为可穿戴接触-分离式TENG用于工业园区氨气监测；下图为变阻抗摩擦-电磁混合发电系统用于自驱动UV汞灯消毒）
相关研究成果分别于2025年7月、12月和2026年2月20日发表于《纳米能源》（Nano Energy）、《先进科学》（Advanced Science），以及《美国化学会·纳米》（ACS Nano）。环境学院2022级博士生王兴伟为论文第一作者，环境学院副教授周小红为论文通讯作者。重要合作者包括香港城市大学袁志国院士、重庆大学教授郭恒宇、重庆师范大学副教授陈杰等。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.111060
https://doi.org/10.1002/advs.202516833
https://doi.org/10.1021/acsnano.5c13095
供稿：环境学院
编辑：李华山
审核：郭玲
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