3D打印摩擦纳米发电机的设计制造及其在自驱动有机污染物降解体系中的应用研究

As a revolutionary power generation technology, triboelectric nanogenerator (TENGs) will go closely in the direction of green intelligent manufacturing characteristic of resource saving, high power and structure individuation. Aiming at the practical application of TENGs with low cost, high power and individuation, this proposal is to take advantage of 3D printing (individuation, rapid molding, high precision and environmental benignancy), vertical contact-separation mode (good stability and high instantaneous output power) and high voltage pre-charge injection (efficient increase of the charge density of friction layer materials) to design and fabricate TENGs with high charge density, high energy conversion efficiency and stable output performance. As the self-powered system, the as-planned TENGs are applied to drive organic pollutants degradation. Based upon the electrochemistry principle and our work on electrocatalytic materials and through exploring the degradation mechanism and optimizing the composition and microstructure of carbon-based electrode materials, the degradation efficiency will be improved to achieve the complete degradation of organic pollutants. The research is expected to provide technical and material support for the realization of TENGs-powered electrochemical reactors to degrade organic pollutants and promote the depth application of TENGs. Research findings with independent intellectual property rights are to be acquired.

摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator，TENG）作为一种革命性的发电技术，其发展趋势是节约型、高功率和个性化结构的绿色智能化加工制造。本项目拟以低成本、高功率、个性化TENG的现实化应用为目标牵引，借助3D打印个性化、成型快、精度高、环保节约的设计制造优势，首选稳定性好、瞬时输出功率高的垂直接触-分离模式，采用高压电荷预注入等摩擦层材料表面处理技术，以期获得高电荷密度、高能量转化效率及稳定输出的TENG，作为自驱动降解体系能量源，驱动废水中有机污染物的电化学降解。探索其降解机理，并结合电化学原理和前期电催化材料的工作积累，优化生物质基碳电极材料的组成和微观结构，以期提高降解效率，实现完全降解，为TENG驱动电化学反应器降解废水有机污染物向工程领域迈进，提供技术支持和材料基础，获得具有自主知识产权的研究成果，为推动个性化TENG的深度应用提供创新性思路。

发展适用于多种微纳运动形式的摩擦纳米发电机（Tirboelectric Nanogenerator，TENG）对于构建自驱动环境有机污染物自降解技术具有重要意义，TENG界面的相对运动结构设计及电化学界面催化材料特性是影响微纳能源采集效率和有机污染物降解效率的关键，是本领域基础前沿科学研究的重点。为此，本项目借助先进的3D打印技术，以低成本、高精度的方式设计构建了输出功率高、结构丰富、使用范围广的TENG，并以芬顿反应为基础，搭建了TENG微纳能源采集与电化学有机污染物降解的增效耦合自驱动系统。在本项目的有力支持下，设计并构建了12种不同结构的TENG，其中包括9种垂直接触-分离模式的TENG，3种横向滑动模式的TENG。合成了用于电化学降解有机污染物的7种碳基电极材料，揭示了TENG输出特性与电极材料性能间的内在适配关系，搭建了多套用于环境污水处理的自驱动降解有机污染物装置。同时对实验结果及现象进行归纳总结，掌握了TENG结构、摩擦层材料特点及工作模式与性能之间的关系，阐明了用于降解有机污染物电极材料的优选规律。此外，我们积极响应国家乡村振兴战略并进行了本领域的拓展研究，设计了生物环保摩擦层材料的TENG，并将其耦合于农业传感系统，构建了可辅助于智能农业体系的自驱动农业传感监测装置。依托该项目共发表高水平SCI论文10篇。申请9项国家发明专利，获授权1项，出版学术专著1部。本项目的研究成果对于构建TENG与电化学深度耦合自驱动有机污染物降解系统具有重要参考和启发意义，对发展适用于多种环境的分布式微纳能源采集及利用系统具有积极推动作用。