摩擦纳米发电机：驱动 纳米二氧化钒VO₂相变的新动力
来源：广州宏武材料科技有限公司 发布时间：2025-03-28浏览量：次
在科技飞速发展的当下，能源的高效利用与创新技术的探索成为推动各领域进步的关键。其中，通过收集环境能量实现设备自供电的研究备受瞩目。而在众多相关研究中，摩擦纳米发电机（TENG）收集环境能量以实现自供电 VO₂相变，展现出了独特的魅力与巨大的潜力。
摩擦纳米发电机（TENG）的全称是 Triboelectric Nanogenerator 。“nanogenerator” 即 “纳米发电机”，突出其能够将微小的能量进行收集并转化为电能。
二氧化钒 (VO₂) 是一种典型的金属-绝缘体转变 (MIT) 材料，在相变过程中其结构、电学和光学性质会发生显著变化。
研究背景：VO₂相变调制的困境与突破方向
过渡金属氧化物（TMO）特性的调制在智能调光、隔热和温度传感等诸多领域有着不可或缺的应用价值。二氧化钒（VO₂）作为一种典型的金属 - 绝缘体转变（MIT）材料，其在相变过程中，结构、电学和光学性质均会发生极为显著的变化。在实际应用中，这种特性可用于智能窗户，实现根据环境温度自动调节透光和隔热性能；在温度传感器中，能够精准感知温度变化并做出响应。
然而，传统的 VO₂相变调制方法存在明显弊端。它们高度依赖外部电源或设备，这不仅大幅增加了使用成本，而且操作过程极为复杂。例如，在一些大型建筑中，若要通过传统方式实现智能窗户中 VO₂材料的相变调控，需要铺设大量复杂的电路系统，维护成本高且稳定性欠佳。为解决这些问题，科研人员将目光投向了新兴的能量收集技术，期望找到一种简单、高效且低成本的相变驱动方式。而摩擦纳米发电机（TENG）的出现，为这一领域带来了新的曙光。TENG 作为一种有效的机械能转换技术，近年来备受关注，其具有成本低、结构简单以及环境友好等独特优点，为实现自供电 VO₂相变提供了可行的途径。
工作原理：TENG 如何驱动 VO₂相变
摩擦纳米发电机基于摩擦起电效应和静电感应效应的耦合进行工作。其基本工作过程如下：起始状态下，两个摩擦层表面均不带电荷，电极之间也不存在电势差。当有外力作用于样品表面，促使两个摩擦材料表面相互接触时，由于摩擦起电效应，两种摩擦材料的接触部分会发生电荷转移。通常，得电子能力强的材料表面会带上负电，反之带正电。但由于这些电荷被限制在摩擦材料表面，且两者紧密接触，此时两个电极之间依旧没有电势差。当施加的外力撤去后，因材料自身的弹性或其他结构设计所赋予的弹性，两个带电的摩擦层会逐渐分离，此时两个电极之间便会形成电势差。在施加的力逐渐撤去的过程中，两个电极之间的电势差会持续升高，直至两个摩擦层回到初始位置，电压达到最大值。若此时重新对其施加压力，使两个摩擦层之间的距离逐渐减小直至完全接触，那么两个电极之间的电势差将逐渐降低直至降为零，至此，一个完整的工作循环完成。
当两个电极短接后，在摩擦层分离和靠近的过程中，电极间的电势差将驱动电子在外电路中流动，形成电流。如此，TENG 便能将环境中诸如人体运动、微风拂动、雨滴冲击等低频无序的机械能转化为电能。
而 TENG 产生的电能，会通过特定的方式用于驱动 VO₂相变。具体而言，环境机械能被 TENG 转化为电能后，经过整流处理，用作离子凝胶（IG）的栅极电压。在室温条件下，该栅极电压能够调制氢离子插入或脱离 VO₂晶格。当有电流通过时，氢离子在电场作用下发生定向移动，进入或离开 VO₂晶格结构，从而改变 VO₂的晶体结构和电子状态，最终引发 VO₂从一种相态转变为另一种相态，实现金属 - 绝缘体转变。
实验验证：TENG 诱导 VO₂相变的科学依据
中国科学院北京纳米能源与系统研究所张弛研究员与广西大学陈远汾副教授的联合团队，针对 TENG 诱导 VO₂相变展开了深入研究，并取得了令人瞩目的成果。在实验过程中，研究团队系统地研究了在 TENG 诱导的离子凝胶门控下 VO₂的各种性质变化。
通过 X 射线衍射（XRD）技术检测发现，在 TENG 的持续供电下，VO₂的 XRD 峰发生了 0.17° 的偏移。XRD 峰的位置和强度能够反映材料的晶体结构信息，这一偏移表明 VO₂的晶体结构在 TENG 供电作用下发生了改变。同时，拉曼光谱分析显示，VO₂的 M 相（金属相）的拉曼特征峰消失。拉曼光谱是研究材料分子结构和化学键振动的重要手段，M 相拉曼特征峰的消失进一步证实了 VO₂发生了从金属相到绝缘相的转变，有力地证实了 TENG 诱导离子凝胶门控实现 VO₂相变的可行性。
此外，研究团队还关注到 VO₂红外线透过率的变化。由于 VO₂的相变，其红外线透过率大幅降低了 28.1%。这一变化对于隔热应用意义重大，例如在降雨期间，雨滴冲击 TENG 产生电能，驱动 VO₂相变，降低红外线透过率，从而实现智能窗户的自适应隔热，有效阻挡外界热量传入室内。
应用前景：开启智能家居等领域新篇章
这一基于 TENG 的自供电 VO₂相变技术，在多个领域展现出了广阔的应用前景。
在智能家居领域，智能窗户可借助 TENG 收集环境中的机械能，如风吹动窗户、雨滴撞击等产生的能量，驱动 VO₂相变。根据不同季节和环境温度，自动调节窗户的透光性和隔热性。夏日高温时，VO₂转变为绝缘相，降低红外线透过率，阻挡热量进入室内，减少空调能耗；冬日寒冷时，VO₂转变为金属相，增加红外线透过率，保持室内温暖，提升居住舒适度的同时实现节能减排。同时，该技术还可应用于智能温控灯具，根据环境温度变化自动调节灯光颜色和亮度，营造舒适的照明环境。
在可穿戴设备方面，TENG 可集成在衣物或配饰中，收集人体运动产生的机械能，为 VO₂基的可穿戴温度传感器或智能变色织物提供自供电。例如，运动爱好者在运动过程中，衣物与身体的摩擦产生的能量被 TENG 收集并转化为电能，驱动 VO₂材料发生相变，使可穿戴温度传感器能够实时、精准地监测人体体温变化，并根据温度变化调整织物的透气性，为用户提供更加舒适的穿着体验。
在工业监测领域，可利用 TENG 收集机械设备运行过程中的振动能量，驱动 VO₂相变用于制作自供电的温度监测标签。将这些标签贴附在关键设备部件上，当设备温度异常导致 VO₂相变时，其电学或光学性质的变化可通过无线传输方式反馈给监测系统，实现对设备运行状态的实时监测，提前预警潜在故障，保障工业生产的稳定运行。
尽管目前该技术仍处于研究和发展阶段，在大规模应用前还需克服一些诸如提高 TENG 的能量转换效率、优化 VO₂材料与 TENG 的集成稳定性等挑战，但随着科研人员的不断探索与创新，基于 TENG 的自供电 VO₂相变技术有望在未来彻底改变我们的生活和生产方式，为能源高效利用和智能设备发展注入新的活力。
产品链接：二氧化钒和掺钨二氧化钒
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