摩擦納米發電機入選《2016研究前沿》化學與材料科學Top10熱點前沿
來源:發布時間:2016-11-02

  1031日由中國科學院科技戰略咨詢研究院、中科院文獻情報中心與clarivateanalytics公司(原湯森路透知識產權與科技事業部)聯合舉辦的2016研究前沿發布暨研討會在北京舉行,會上向全球發布了《2016研究前沿》報告,并首次遴選發布中國表現卓越的30個研究前沿。在化學與材料科學領域,中科院北京納米能源與系統研究所王中林院士發明的摩擦納米發電機位列Top10熱點前沿第三位(http://news.163.com/16/1101/08/C4PAEISO000187V5.html) 

  2016研究前沿》報告繼承了《2015研究前沿》的分析方法,從近六年文獻共被引聚類分析形成的12188個研究前沿中遴選出自然科學和社會科學10個大學科領域排名最前100個熱點前沿,并遴選出近兩年發展迅速的80個新興前沿,分析其國家和機構布局,進而展示當前全球的科研前沿態勢;通過180個熱點前沿和新興前沿的進一步分析,形成了可能代表國際基礎科學的重大前沿突破以及當今若干重大問題的解決及發展途徑的若干研究前沿群;同時還評估了美國、英國、德國、法國、中國和日本等國家在180個前沿的貢獻和潛在發展水平。

   

  百年以來,煤、天然氣和核能電廠全部采用渦輪發動機驅動和電磁感應發電機,這一直是將機械能轉換成電能的唯一途徑。而常規能源的使用需要大量分散的、昂貴的發電廠和電網來四處分配電力,在輸送的過程中會損失掉大量能源。2006年,王中林教授在佐治亞理工學院帶領研究小組開始著手改變我們對待機械能的方式,用原子力顯微鏡探針彎曲垂直生長的氧化鋅納米線,使其內外表面產生極化電荷并向外界輸電,成功研制出世界上最小的納米尺度的發電機-----壓電納米發電機,開辟了能源轉化和應用的新范疇。 

  隨后,他帶領研究小組在研究這種壓電效應時偶然發現其所產生的電力輸出高于預期。調查導致這種現象產生的原因時,王中林教授發現是由于設備上兩種聚合物表面發生摩擦作用,也就是大多數人所知道的靜電。基于這次偶然的發現,王教授認為可以從我們的生活環境中捕獲能量得到一種可持續、免維護、綠色清潔能源,并在20121月成功研發出世界首臺摩擦納米發電機,目前已經成為了全球研發的熱點。這種摩擦納米發電機通過摩擦起電和靜電感應的耦合效應將機械能轉換成電能,通過兩層薄膜間表現出相反的摩擦電極性電荷轉移,產生電勢差,當有外部負載時,電子被驅動在附著于薄膜背側的兩個電極之間流動,以平衡電位差。 

  2012年以來,王中林團隊發明了摩擦納米發電機的四種工作模式,即接觸分離模式、滑動模式、單電極模式和自由端模式,其功率密度、體積密度和轉換效率不斷提高,同時以此為基礎的自供電電化學系統得以發展。研究進展主要有以下幾個方面:第一,為利用不同的機械源和滿足不同的實際應用,設計了各種各樣的結構,包括彈簧支撐型、光柵結構、多層結構等。第二,為收集各種能量來源,包括人體運動、發動機轉動、風能、水能、海洋能等,設計了不同的自供電系統。第三,多種基于TENGs的應用被報道,尤其是自供電的傳感器,它主要可以分為兩類:物理傳感器和化學傳感器。 

  現在,王中林在納米能源所的團隊正積極推進“摩擦發電機”產業化,注重將科研工作與產業化應用有機結合,在空氣凈化系統、自供能鞋用傳感器、植入式醫療器件等方面不斷擴展科技成果與企業的合作與對接。根據美國IDTechEx最新調查研究和商業展望,2027年摩擦納米發電機(TENG)僅在應變器方面應用的市場價值將達到4億美金。 

      

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