納米能源所首次利用摩擦效應高效能聲音發電

　　聲波無處不在，如人們所在的各種社交活動場所、機場、建筑工地和交通中都充斥著各種聲音。通常情況下，這些聲音被認為是污染我們生活環境的噪聲，雖然其提供的能量充滿我們整個環境，但往往被忽視和浪費掉。若能將這些能量收集并利用，將獲得一種嶄新的、可持續的能量源。目前，聲能采集還不普遍，與其他類型的能量相比(如太陽能和熱電能量)，聲能的功率密度較低，很難被收集和利用。目前采用壓電和靜電效應實現聲能收集的技術，存在能量轉換效率低、結構復雜和對材料品質要求高等缺點，并且大多數器件的工作頻率較高(從幾kHz到MHz)，而日常生活中使用的聲源則主要是低頻成分，使得現有技術和器件未被真正應用。因此，采集聲波能量仍然是一個挑戰。

　　2012年，王中林院士領導的中國科學院北京納米能源與系統研究所和美國佐治亞理工學院研究組首次提出了摩擦電納米發電機理念，開辟了能源轉化和應用的一個新的范疇。摩擦電是一種非常普遍的現象，存在于我們日常生活的各個層面，從一次觸摸、到走路、開車等很多活動都會產生摩擦電。王中林領導的研究組通過合理的器件結構設計，使得摩擦起電這一古老的現象展現出原創的和前所未有的應用價值和潛力。兩年左右時間，在王中林領導下，各種類型的摩擦電納米發電機不斷被研制出來，為人們呈現出一個異彩紛呈的新天地，引起了國內外各界的廣泛重視，相關成果發表在Nano Energy、Nano Letter、Advanced Materials、ASC Nano、Energy & Environmental Science等著名期刊上。

　　最近，在王中林的領導下，由楊進博士和陳俊博士等組成的研究小組首次實現了利用摩擦效應的高效能聲音發電。他們將鍍有金屬電極的聚四氟乙烯膜(Teflon)和具有孔洞結構的金屬電極膜貼合在一起，構成摩擦電納米發電機并用于聲轉換敏感單元。制作的聚四氟乙烯膜輕薄并且具有彈性，在實現對環境聲壓變化敏感響應的同時，能夠與金屬電極膜產生不同程度的分離與接觸摩擦，造成表面摩擦電荷與感應電荷之間的平衡關系發生變化，從而驅動電子通過外電路發生轉移，即形成電流，實現聲能到電能的轉化。為了提高聲能轉換效率，研究組從1)聚四氟乙烯膜初始應力及金屬電極孔洞面積比，2)聲諧振腔結構，3)聚四氟乙烯膜表面納米線和金屬電極膜表面納米孔修飾等3個方向對器件進行了優化設計。實驗結果表明，當聲壓在70 dB to 110 dB范圍時，器件聲響應靈敏度達9.54 V Pa-1， 峰值功率密度為60.2 mW m-2，聲電轉換效率大于50%。聲音驅動的摩擦電納米發電機可以同時點亮20個LED燈。研究組還通過多個不同響應頻帶的器件陣列制成自供電麥克風，實現了無源、寬頻帶聲音錄制;采用多聲傳感器構建了無源、主動式聲源定位系統，可以實時定位聲源位置。

　　該工作發表于最新一期的《ACS納米》(ASC Nano) (DOI: 10.1021/nn4063616，Publication Date (Web): February 13, 2014)，研究結果在環境聲能量高效采集、噪聲抑制，以及聲傳感探測(如航空動力聲傳感、軍事偵查以及個人電子設備)等領域有廣泛的應用前景。整個器件的制造工藝無需昂貴原材料和先進制造設備，有利于大規模工業生產和實際應用，且整個器件以柔性聚合物膜為基本結構，易加工;器件的使用壽命長，易與其它加工工藝相融合。