近日，我校物理与电子学院郑海务教授课题组在柔性压电纳米发电机的研究中取得新进展，相关研究成果发表在自然指数期刊、国际顶级期刊Advanced Functional Materials（最新影响因子15.621）。
由便携式电子器件组成的传感器网络和物联网（IoT）近年来取得了飞速发展，这些电子器件通常需要具有可移动的、持续性的电源进行供电。使用传统电池则会面临管理和回收等一系列问题，并且废弃的电池也会对环境造成危害。因此，压电纳米发电机作为一种将机械能转换为电能的新技术，在IoT的发展中将会发挥重要作用。
以往的报道中，为了制备基于有机-无机复合膜高性能压电纳米发电机，通常会使用PZT，PMN–PT等材料作为压电填料，但是含铅材料对环境和人类健康会造成严重危害。郑海务团队通过合成稀土元素钐（Sm）钛（Ti）共掺杂铁酸铋Bi1−xSmxFe1−xTixO3以改善铁酸铋的压电性，并利用冷冻干燥技术制备基于三维多孔互连压电填料的压电纳米发电机。三维多孔互连压电填料在柔性基质中均匀分布，由于压电填料的独特结构，增加了压电纳米发电机的应力传递能力，进而提高了压电纳米发电机的电输出，开路电压和短路电流分别提高了5.3倍和5.6倍。研究人员还通过实验对比与COMSOL多物理场仿真验证了三维互连结构对电输出的增益效果。此外，利用放大电路和比较器电路将压电信号作为触发信号设计自驱动机械传感系统，控制接收端电器的运行，并将该系统与灭火器结合实现远程操控灭火的应用展示。这些研究工作不仅拓宽了无铅压电陶瓷在能量捕获领域的应用，也为自驱动机械传感提供了新的思路，在IoT领域表现出巨大的应用前景。
河南大学郑海务教授、吴永辉讲师以及中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士是论文的共同通讯作者，河南大学是第一署名单位，第一作者是硕士生张远征。该研究工作受到科技部、国家自然科学基金委、河南省高校科技创新团队、河南大学一流学科培育项目等项目的资助。
近年来，郑海务教授作为负责人的复合能量捕获与极化器件物理课题组主要开展基于压电、摩擦电纳米发电机的环境能量捕获及极化效应对低维铁电，压电材料光电效应的调控研究。取得的系列研究进展包括：船型复合电磁-摩擦纳米发电机(Nano Energy, 2019, 57, 616)；基于KNN系高性能无铅压电纳米发电机(J. Mater. Chem. A, 2018, 6,16439)；基于摩擦纳米发电机的自驱动智能水表(ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 6396-6403)；收集环境风能和热能的复合纳米发电机(ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 14708-14715)；弹簧辅助的摩擦-电磁复合发电机(Nanoscale, 2018, 10, 14747)；BFTO/CuO薄膜的铁电光伏效应（Appl. Phys. Lett. 2017，111, 032901）；Au表面等离激元增强BLFO薄膜的光伏效应（J. Mater. Chem. C, 2017,5,10615）。
图1：不同类型的压电纳米发电机的输出性能
图2：利用COMSOL验证三维互连多孔结构对输出的影响
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201904259
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