無論是手機還是筆記本電腦，這些便攜式電子設備都已成為人們生活的必備工具。這些物品的快速發展，得益于可再生和環保的電池為這些設備供電。隨著運動手環等更加輕巧的可穿戴設備的風靡，為它們持續提供高效、清潔和可持續的電能是亟需解決的難題。

近日，浙江大學海洋學院海洋電子與智能系統研究所朱智源博士研究小組，研發了一種新型的X型高效摩擦納米發電機，具有結構簡單、體積小、成本低、以及可收集人體運動能等諸多特點。這項研究發表在著名期刊《納米能源》（Nano Energy）上。

論文第一作者為浙江大學海洋學院2017級船舶與海洋工程專業碩士研究生夏克泉，通訊作者為青年教師朱智源博士，共同作者包括2014級海洋工程與技術專業本科生杜超林與2014級船舶與海洋工程專業本科生王容基。

用筆畫出一個發電機

在該研究工作中，研究人員提出了一種新穎的紙基摩擦納米發電機（XP-TENG），并可通過商業畫筆將簽字筆油墨勾勒在紙上形成電極。

讓我們一起來還原這個繪畫過程——首先取兩張尺寸為3cm×9cm的紙片，在紙片的一側切割出兩條平行的縫隙用以嵌合器件。接著用畫筆將簽字筆墨均勻的涂抹在紙片的表面，然后放置2分鐘使得油墨在紙的表面固化形成電極，取其中一張紙片，在電極表面貼上特氟龍膠帶，然后將其中一張紙片折成“π”形狀，另外一張折成“倒π”形狀。最后兩個器件通過縫隙嵌合到一起，便形成了X形狀的紙基發電機。

圖1. X形狀紙基發電機的制作過程

在這之前，摩擦納米發電機（TENG）作為一種智能綠色器件已經被科學家所研發?！澳Σ良{米發電機最具吸引力的特征是能把各種機械運動轉換為電能，如人行走，人眼運動和車輛運動等?！边z憾的是，摩擦納米發電機多數加工方法成本過高、工藝復雜，很難實現大規模的生產。

直到2013年，王中林院士課題組創新性的提出了一種紙基TENG，大大降低了制作成本；2017年，張曉升教授等用鉛筆在紙上繪出導電石墨層作為TENG的導電電極，進一步簡化了制作工藝，推動了紙基柔性能源器件的發展。

朱智源表示，當紙基材被彎曲和導電電極表面被劃傷時，簽字筆油墨層的表面電阻比鉛筆繪制的石墨層的薄層電阻更穩定。這種優異的性能表明，與鉛筆石墨層相比，油墨層具有更長的使用壽命，更適合復雜的使用環境。

X形狀的妙用

以前的研究報道了多種結構，包括拱形結構，V形結構和菱形結構。然而，以往的結構大多只具有單一的工作模式，因此限制了TENG的實際應用并且使器件效率下降。因此，在這項工作中，研究人員提出了一種新穎的采用了切紙和折紙的組合式架構的X形狀紙基摩擦納米發電機。

這種新的形狀本身帶有6對摩擦電極，進而將6個摩擦副集成到到一個X形狀紙基摩擦納米發電機。這一特殊的結構可提供兩種工作模式，拓展了摩擦納米發電機的應用范圍。

圖2. X形紙基發電機的工作模式、制備材料、以及性能提升

第一種模式，基于常規的接觸-分離模型。采取多個堆疊結構的X形狀紙基摩擦納米發電機，可以進一步提升堆疊結構的電流輸出性能?？蒲腥藛T通過實驗發現，在手按壓下具備四個工作單元的堆疊X形狀紙基摩擦納米發電機，產生的輸出能夠直接點亮工作電壓為3.4V的101個串聯高功率藍光LED?！爱斎粸榱朔乐闺娏飨嗷サ窒?，我們還會在結構中采用多個全波橋獨立連接的優化手段，使得電流朝著一個方向運動?！?/p>

第二種模式，可以有效地從人體運動中收集機械能。比如收集人肘運動機械能，或者將X形狀紙基摩擦納米發電機放在書包中，收集人走路時產生的振動機械能等。

圖3. X形狀紙基發電機及其堆疊結構的應用

科研人員介紹，X形狀紙基摩擦納米發電機能夠適應濕度環境，具有在海洋環境下工作的潛力，在船舶電子系統供能方面有潛在應用?！拔磥?，潛水員的探照燈或許可以通過人體自身的運動機械能發亮，同時這種發電原理或許還可以運用到救生中?！敝熘窃凑f。

據介紹，用于海洋的納米能源器件是浙江大學海洋電子與智能系統研究所的重要研究方向，該研究所由國家千人計劃專家徐志偉教授于2016年1月領銜創立，重點關注以信息科學與海洋物理為學科交叉的基礎研究，包括海洋信息電子、智能系統以及用于海洋電子裝備的新能源新材料新器件。此次利用簡易的商用材料制備了結構簡單、體積小、重量輕、低成本、作用速度快的供能器件，在摩擦納米發電機研究上取得突破，為用于海洋的自主便攜電子系統持續供能提供了新的思路。

本研究由中央高?；鹳Y助和國家自然科學基金資助（61674218、61731019）。研究人員感謝浙江大學動物科學實驗教學中心所提供的掃描電鏡表征。