在广泛的能量收集技术中，摩擦纳米发电机（TENG）由于其高能量转换效率和简单的制造而获得了巨大的吸引力。这些设备不仅可以将大量机械能转换为电能，而且还被用于自供电传感器应用。然而，基于接触分离的 TENG 会由于材料的磨损、设备的更换以及操作产生的噪音而导致 TENG 的鲁棒性和可靠性下降。具有非接触式交互能力的非接触式摩擦电纳米发电机对于医疗保健，远程安全和增强现实中的应用变得非常具有潜力。

来自韩国光云大学的学者提出了一种基于硅氧烯/Ecoflex纳米复合材料的高性能非接触式摩擦纳米发电机（TENG），该发电机由于硅氧烯/Ecoflex具有很强的电子亲和力特性而产生丰富的表面电荷。此外，电荷保持是非接触式TENG的重大挑战之一。为此，本文引入掺入激光诱导石墨烯（LIG）的二硫化钼（MoS2）作为电荷捕获层，使表面电位增加四倍，从而提高TENG的输出性能，并表现出由表面电位测量支持的优异的电荷捕获性能。此外，制造的TENG具有出色的湿度传感特性，灵敏度为0.45 V /%。由于TENG的非接触机制，可以防止设备发生磨损。最后，本文演示了TENG用于非接触式洗手液应用的自供电传感器，以及一种无线控制器，用于发送触发信号以控制游戏界面中物体的运动。考虑到持续的冠状病毒大流行，本文提出的非接触式TENG对于非接触式交互和减少可能的接触情况提供了一种解决方案。相关文章以“ASiloxene/Ecoflex Nanocomposite-Based Triboelectric Nanogenerator with Enhanced Charge Retention by MoS2/LIG for Self-Powered Touchless Sensor Applications”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202113005

图1. 非接触式 TENG 示意图。a) Siloxene/Ecoflex 作为电荷产生层，具有 LIG 的 MoS 2作为电荷俘获层，以及铜作为电荷收集层的示意图。b) 具有MoS 2 /LIG的微结构化硅氧烷/Ecoflex 纳米复合材料的制备步骤。c) 本文制造的 TENG 装置的照片。d)微结构化硅氧烷/Ecoflex 薄膜的场发射扫描电子显微镜(FESEM) 图像。

图2. CaSi 2、硅氧烷片材、Pristine Ecoflex 和 Siloxene/Ecoflex 纳米复合材料的物理特性。a)通过拓扑化学反应从层状 CaSi 2制备硅氧烷片的示意图。b) 在 Ecoflex 聚合物基质中加入硅氧烷的示意图。c) 硅氧烷/Ecoflex 纳米复合材料的能量色散光谱 (EDS) 元素映射。d) CaSi 2和硅氧烷片的傅里叶变换红外光谱 (FTIR)。e) CaSi 2 、硅氧烷片、Pristine Ecoflex 和硅氧烷/Ecoflex 纳米复合材料的 X 射线光电子能谱 (XPS) 测量光谱。(f) CaSi 2、硅氧烷片材、Pristine Ecoflex和硅氧烷/Ecoflex 纳米复合材料的XRD光谱、。

图3. 非接触式 TENG 的电气特性。a) 基于硅氧烷/Ecoflex 的非接触式 TENG 的工作原理。b) COMSOL 模拟展示了 TENG 的潜在分布。c) 不同重量比（0.5-2 wt%）的硅氧烷/Ecoflex 纳米复合材料的介电常数测量。d）峰值电压e）电流密度和f）硅氧烷/ Ecoflex纳米复合材料在不同重量比（0.5-2 wt%）下的表面电位测量。g) Pristine Ecoflex (PE)、Siloxene/Ecoflex(SE)、Siloxene/Ecoflex with LIG (SEL)、Siloxene/Ecoflex with MoS 2 (SEM)和具有 MoS2 /LIG (SEML) 的硅氧烷/Ecoflex 纳米复合材料。

图4. TENG参数的优化。a）对原始生态反射（PE）、硅氧烯/生态反射（SE）、硅氧烯/生态反射与LIG（SEL）、硅氧烯/生态反射与MoS2（SEM）和硅氧烯/生态反射与MoS2/LIG（SEML）的表面电位测量超过100小时的结果。b) SEML 的负载电压和峰值功率。c) PE、SE、SEL、SEM和SEML之间的峰值功率比较。d) 峰间电压和 e) 不同纳米复合材料厚度下纳米复合材料的电流密度。f）峰间电压和g）纳米复合材料在不同频率下的电流密度。h) 不同分离距离下纳米复合材料的峰峰值电压。i) 显示峰间电压与分离距离之间关系的线性拟合曲线。

图5. 演示用于非接触式洗手液应用的自供电摩擦电传感器。a）本文制造的摩擦电传感器的湿度测试——TENG在不同相对湿度下的输出电压。b) 摩擦电传感器对湿度的灵敏度和线性适应度。c) 用于演示非接触式洗手液应用的系统架构。d) 干手演示的非接触式洗手液。e) 干手演示期间的信号波形。f) 用湿手演示的非接触式洗手液。g) 湿手演示期间的信号波形。

图6. 摩擦电传感器作为无线游戏控制器的演示。a) 用于演示摩擦电传感器作为无线游戏控制器的系统架构。b) 显示非接触式传感器和通过蓝牙无线传输传感器输出的照片。c) 来自摩擦电传感器的输出信号，该信号作为触发信号用于控制游戏界面中物体的移动。d-g)说明游戏控制功能的照片。

本文开发了一种高性能硅氧烯/Ecoflex纳米复合材料基非接触式摩擦电纳米发电机，由于硅氧烯/Ecoflex的强电子亲和力，因此可产生丰富的表面电荷。由于聚合物基体内部的微观电容器形成和微观偶极子形成，纳米复合材料的电子亲和力得到改善。由MoS2结合的LIG组成的电荷捕获中间层由于存在丰富的陷阱水平，从而有助于更好的电荷捕获。此外，该设备可以防止电子向电极的扩散，从而改善了双分子层的介电性能和极化，进而显著提高了TENG的电荷保持性能和输出性能。因此，功率密度增加了两倍、表面电位增加了四倍，这得到了表面电位测量的证明。此外，TENG还具有出色的湿度传感特性，灵敏度为0.45 V/%，而由于TENG的非接触式机制，可以防止设备的磨损。最后，该设备被成功演示为用于实现非接触式洗手液的自供电传感器和用于控制游戏界面中物体运动的无线控制器。因此，本文相信，目前的研究将对在非接触式摩擦电纳米发电机和非接触式应用领域工作的研究人员提供有用的参考。