随着移动电子产品的飞速发展，人们对便捷、可持续的供电需求日益增长。通过压电、摩擦电、热电、光电等效应，选择设计具有微纳米结构的材料和器件，收集和存储环境中未被充分利用的机械、物理等能量为电子设备供电，这种绿色、可持续的纳米发电机成为近年来的前沿热点研究方向之一。基于摩擦起电效应和静电感应效应的摩擦纳米发电机（TENG），具有电能输出和能量转换效率高、成本低、制备简易等特点，被认为是具有广阔前景的能源捕获装置。

    摩擦纳米发电机由两种极性不同的材料组装而成，其正极材料通常为金属（如银、铜、铝）或金属氧化物（如氧化锌、氧化铟锡）。然而，金属在环境中易被氧化、腐蚀，且金属氧化物柔韧性欠佳，从而影响到TENG的稳定性及应用领域。因此，具有优良稳定性和可塑性的高分子正极材料开始受到关注，如聚酰胺、纤维素和聚吡咯等。然而，相比金属正极材料，高分子作为正极材料的TENG的电信号输出要低得多。因此，亟需提高全高分子基的TENG的电信号输出。

    图1、（a）基于高分子气凝胶的摩擦纳米发电机（A-NG）的示意图；（b）不同孔隙率的PI气凝胶对P-CTS/P-PI A-NGs电压输出的影最近，美国威斯康星大学麦迪逊分校的Shaoqin Sarah Gong教授（通讯作者），Qifeng Zheng博士和华南理工大学Liming Fang访问教授（共同第一作者）报道了一种基于高分子气凝胶的柔性摩擦纳米发电机（A-NG）。其正极材料为纤维素（CNF）或壳聚糖（CTS）气凝胶膜，负极材料为多孔聚二甲基硅氧烷（PDMS）或聚酰亚胺（PI）气凝胶。相比对应的实心结构电极，气凝胶电极显著提高了摩擦纳米发电机的输出功率达11倍。该论文比较了高分子气凝胶电极的材料类型、孔隙率及比表面积等因素对TENG电性能的影响，发现随着正负电极材料极性差异和孔隙率的提高，A-NG的输出电压急剧增加（图1b）。其中孔隙率为86%的壳聚糖与孔隙率为92%的PI组装的A-NG，在受到~0.03 MPa压力的作用下，可输出60.6V的电压和7.7μA的电流，其面积功率密度达到2.33W/m2，足以驱动LED等器件或为电容器充电。

    图2、基于多孔高分子气凝胶的A-NG的摩擦发电机理示意图该工作首次将高分子多孔材料同时用作摩擦纳米发电机的正负极，并分析了材料孔隙对TENG电信号输出的影响机理（图2）。在正负电极接触分离过程中，除了接触表面产生的正负静电荷，同时孔表面因为静电感应效应亦会产生额外电荷，高比表面累计的额外电荷导致正负电极产生更大的感应电势差，从而显著提高电信号输出。另外，该工作通过化学气相沉积法，对纤维素气凝胶孔隙表面进行氨基硅烷化改性，提高其正电极性，使得TENG的电信号输出相比改性前提高了3倍该研究利用环保的天然高分子取代昂贵、易腐蚀的金属作为正极材料，通过改变气凝胶孔隙率和表面化学改性等简单方法，调控摩擦纳米发电机的电输出性能，对研发新型电极材料、发展高性能柔性能源捕获器件有参考价值。

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责任编辑：殷鹏飞

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