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  1. 總結(jié)并比較分析了不同界面上CE的特點(diǎn)、作用機(jī)理、材料選擇的多樣性以及改性方法，為今后不同界面上的CE研究提供了有價(jià)值的指導(dǎo)。

  2. 詳細(xì)介紹了基于不同界面接觸起電的TENG的獨(dú)特應(yīng)用。

  3. 討論了基于CE的TENGs所面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展前景。

  本文以比較總結(jié)不同界面CE機(jī)制的特點(diǎn)為切入點(diǎn)，對(duì)界面CE的原理、材料選擇范圍、界面調(diào)節(jié)方法和應(yīng)用進(jìn)行了全面的綜述。闡述了不同界面上CE的原理，突出了電子云模型和混合EDL模型的優(yōu)越性，以及相互啟發(fā)和互補(bǔ)的界面CE研究過(guò)程。文章概述了影響不同界面CE的因素，并總結(jié)了針對(duì)不同界面的具有普適性和有針對(duì)性的改性方法。文章還討論了各個(gè)界面在不同環(huán)境中的應(yīng)用。文章強(qiáng)調(diào)界面特性和不同界面之間的相互聯(lián)系，希望能夠激發(fā)創(chuàng)新思想，顯著提高摩擦電納米發(fā)電機(jī)(TENG)能量轉(zhuǎn)換的效率，促進(jìn)研究者們對(duì)新的應(yīng)用領(lǐng)域的開發(fā)。最后，本文還討論了未來(lái)CE研究面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，旨在為相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展和創(chuàng)新提供見解。該文章以“A Review: Contact Electrification at Diversified Interfaces and Related Applications”為題發(fā)表在Nano-Micro Lett.上，第一作者是北京納米能源與系統(tǒng)研究所碩士生胡珺，陳翔宇研究員和Mitsumasa Iwamoto研究員是共同通訊作者。

  Ⅰ電子云模型提供了可視化的原子水平電子轉(zhuǎn)移過(guò)程。該模型也適用于解釋固液界面的接觸起電過(guò)程。它表明，在某些情況下，電子轉(zhuǎn)移在固-液 CE 中起著主導(dǎo)作用，除此之外，幾十年來(lái)人們對(duì)界面離子轉(zhuǎn)移做出了解釋。Wang 等人引入了混合 EDL 模型和 "兩步 "形成過(guò)程，同時(shí)考慮了電子轉(zhuǎn)移和離子吸附，第一步，由于液體的熱運(yùn)動(dòng)和壓力，液體中的分子和離子撞擊固體表面，由于固體原子和水分子的電子云重疊，電子將在固體原子和水分子之間轉(zhuǎn)移。電離反應(yīng)和離子吸附作為平行過(guò)程在固體表面同時(shí)發(fā)生。值得注意的是，電離反應(yīng)產(chǎn)生的離子和轉(zhuǎn)移的電子都會(huì)改變表面附近的電勢(shì)分布。在第二步中，液體中的游離離子在靜電力的作用下被吸引到帶電表面。因此，這些離子向帶電表面遷移，形成 EDL。此外，EDL 的形成還受到固體材料給予/吸收電子能力的影響。

圖1. a 液滴 TENG 的工作機(jī)制和電子云模型。b 液態(tài)水電離和質(zhì)子轉(zhuǎn)移后的初級(jí)化學(xué)反應(yīng)。c 界面水的結(jié)構(gòu)和解離示意圖。d 在固液界面形成電雙層。

圖2. a. 材料的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和合成；b. 物理改性；c. 化學(xué)改性，包括離子輻照和無(wú)機(jī)物摻雜；d. 特殊成型工藝，以改善材料的 CE 特性。

  III 在 CE 材料選擇領(lǐng)域，材料的選擇受原子電負(fù)性和官能團(tuán)類型等因素的影響。固體材料原子排列密集，為改變化學(xué)鍵和晶體結(jié)構(gòu)提供了大量機(jī)會(huì)。因此，有多種材料可供選擇。此外，固體材料的可塑性使其具有優(yōu)于液體和氣體的加工性能，對(duì)液體改性的研究主要集中在離子種類和濃度上，對(duì)氣體改性的研究仍然相對(duì)較少。不過(guò)，值得注意的是，與液體和氣體不同，固體材料在摩擦過(guò)程中更容易出現(xiàn)磨損問(wèn)題，而且容易腐蝕。相反，液-液和氣-液界面在使用壽命和耐磨性方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。電荷密度是評(píng)估能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵指標(biāo)，也是觀察不同界面趨勢(shì)的主要因素。不過(guò)，需要注意的是，目前不同界面的研究進(jìn)展差異很大�，F(xiàn)有的研究多側(cè)重于固-固 CE，針對(duì)固-氣、液-液和液-氣界面的研究較少。

圖3. a 比較不同界面的材料選擇范圍、可加工性和環(huán)境穩(wěn)定性。b、c根據(jù)現(xiàn)有研究的數(shù)量和表面電荷密度的限制討論 CE 在不同界面的可開發(fā)前景。

  IV 固體材料一般都比較堅(jiān)硬，能夠抵御可能改變其形狀或體積的外部影響。因此，固體界面可以多樣化，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和需求。目前，已開發(fā)出單層、多層、彎曲和轉(zhuǎn)盤等多種 CE 界面形式。例如：混合能源振動(dòng)驅(qū)動(dòng)摩擦納米發(fā)電機(jī)利用風(fēng)力驅(qū)動(dòng) TENG 產(chǎn)生接觸分離，從而收集振動(dòng)能量，作為自供電信息檢測(cè)/傳輸/報(bào)警系統(tǒng)的電源。水波能驅(qū)動(dòng)的電化學(xué)系統(tǒng)利用從納米發(fā)電機(jī)收集的能量最大限度地生產(chǎn)甲酸，在 0.04 平方米的面積上收集的波能每天生產(chǎn) 2.798 毫摩爾甲酸，二氧化碳轉(zhuǎn)換效率接近 100%。高度穩(wěn)定的多相 TENG，在恒流條件下，通過(guò)電極錯(cuò)位和電路連接利用常見的日常材料實(shí)現(xiàn)了高平均輸出功率的直流輸出，擴(kuò)大了 TENG 材料的選擇范圍，并利用其旋轉(zhuǎn)特性實(shí)現(xiàn)了循環(huán)轉(zhuǎn)輪能量收集。利用基于TENG的可植入的摩擦材料制備完全可植入的共生心臟起搏器 (SPM)。一種具有三重形狀記憶效應(yīng)的彈性體，并集成開發(fā)了一種多功能自供電信息編碼設(shè)備（IED）。

圖4. 各種固-固界面 CE 衍生出的應(yīng)用場(chǎng)景，包括：a 能量收集；b 生物治療；c 智能物聯(lián)網(wǎng)；d 信息編碼。

  V 文章總結(jié)了基于不同界面CE的TENGs的可進(jìn)一步開發(fā)的應(yīng)用領(lǐng)域，希望能為未來(lái)的界面設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的指導(dǎo)，從而實(shí)現(xiàn)更廣泛的實(shí)際應(yīng)用和更優(yōu)異的性能。

圖5. 基于不同界面CE的TENGs的可進(jìn)一步開發(fā)的應(yīng)用領(lǐng)域。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1007/s40820-023-01238-8