固液界面摩擦起電的調控與能源收集研究取得系列進展

　　固液界面的摩擦起電行為與界面接觸狀態、雙電層性質密切相關。如何基于表界面行為對其有效調控，是制約其在新型摩擦學傳感器設計、液體潤滑界面靜電防控以及分布式能源收集的關鍵因素。

　　近期，中國科學院蘭州化學物理研究所團隊在固液界面摩擦起電的調控與能源收集方面取得系列進展。團隊針對油—固、水—固及氣液兩相流等不同界面體系，系統揭示了摩擦起電的界面調控機制，并提出了高效發電新構型，為相關領域的應用提供了新思路。

　　針對油—固界面摩擦起電問題，團隊通過構建脈沖氣流驅動乙二醇液滴在聚四氟乙烯表面摩擦，借助氣流調控瞬態潤濕與界面剪切作用，大幅強化界面電荷分離，得到1.8μA的短路電流峰值和100V開路電壓，較傳統油—固界面摩擦起電提高5–6倍。連續滑動潤滑液膜可將輸出電流密度提升5–6倍，為研究油—固界面靜電防護與傳感設計提供了新思路。

　　針對水—固界面摩擦起電問題，團隊利用液體流動時的普拉托—瑞利不穩定性，將低頻水流轉化為50Hz的高頻液滴，避免了連續水流界面產生的屏蔽效應并大幅提高了接觸分離效率，輸出電流超過100μA，約為傳統單電極液滴接觸—分離模式輸出電流的120倍。其工作機制歸因于液滴融合誘導的摩擦起電、表面電荷捕獲與電荷再分配，這使其既能用于連續水流的能量收集，也可應用于水位監測。

　　近日，團隊通過集成氣液兩相流接觸分離摩擦起電及靜電擊穿放電模塊的設計，突破了傳統固液界面摩擦起電性能的瓶頸。研究依托氣液兩相流實現穩定固液摩擦起電，同時借助靜電擊穿放電調控電荷累積與周期性釋放，其瞬時短路電流可達665mA，開路電壓900V，大幅超越現有同類型器件，可直接點亮110W白熾燈或同時驅動4000顆商用LED穩定發光。該研究提出了基于主動放電調控的噴霧式發電新構型，為高效收集水體中的可再生清潔能源提供了新的技術路徑。

　　研究工作得到了國家自然科學基金、甘肅省重大專項等的支持。