界面激光诱导的石墨烯用于高性能液-固摩擦纳米发电机，让小小雨滴点亮480个LED

自然界中水资源存在的形式多样且丰富，雨滴、河流、海浪、潮汐中都蕴含着非常丰富的能量，这其中高频的机械能人们已经实现有效地收集，但是一些分布广泛的低频、分散的能量却往往被忽视。那么，是否可以将这些被忽视的能量更有效地进行收集呢？近日，广东工业大学省部共建精密电子制造技术与装备国家重点实验室的陈新/陈云教授团队、香港中文大学汪正平院士/赵铌教授与香港城市大学的王钻开教授团队，在氟化乙烯丙烯（FEP）涂层的聚酰亚胺（PI）双层结构中，利用不同涂层对激光的吸收率不同，原位生长具有不同疏水性的激光诱导石墨烯（LIG）电极，并制备了一种具有高转换效率的柔性液-固摩擦纳米发电机，让小小雨滴点亮480个LED，极大地丰富了液滴能量收集的途径。

摩擦纳米发电机（TENG）因其设计简单、材料选择多样，具有优异的低频、分散的环境机械能收集能力而逐渐被人们关注。传统的固-固摩擦纳米发电机（SS-TENG），基于固体与固体之间的摩擦起电效应和静电感应，拥有较高的输出性能。然而，SS-TENG在收集能量时总是不可避免的存在问题，比如摩擦材料的耐久性；电极之间的磨损会降低SS-TENG的输出性能和使用寿命，而液-固接触摩擦纳米发电机（LS-TENG），则可以有效避免这些问题，若能提高瞬时输出功率密度及能量转换效率，在液滴能量收集方面将具有巨大的潜力。

图1. 制造工艺示意图及实物图

激光诱导石墨烯（LIG）近年来因其多功能性和可扩展性，受到广泛关注。LIG最初是在保护性气氛中采用红外激光加工商用聚酰亚胺(PI)薄膜而获得的；而随后的研究表明，LIG还可以采用多种激光进行加工，包括红外和紫外激光。本文中，研究团队提出了一种原位生长高导电超疏水LIG的方法，通过利用FEP和PI层对紫外激光的不同光响应，选择性地激发了FEP/PI双层结构的PI层，并在FEP/PI界面上实现了极高的温度和高压，从而在石墨烯形成过程中将氟原子从分解的FEP输送到PI，形成一个具有超疏水性能的氟掺杂石墨烯电极，并具有优异的化学稳定性和与底部聚合物层保持强附着力。利用这种结构，构建了柔性液滴发电机（DEG），其峰值功率密度达到了47.5 W/m²，从25 cm的高度释放一个小水滴（105 μL），能够点亮480个LED。并且该液滴发电机表现出卓越的运行稳定性，在10000次循环测试后仍能保持70%的峰值功率密度，在96%的高湿度环境中仍能保持88%的峰值功率，还可以在3-13的超宽pH范围中正常工作，具有在腐蚀性条件下工作的巨大的潜力。

图2. 摩擦纳米发电机原理图及LED效果图

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Interfacial Laser-Induced Graphene Enabling High-Performance Liquid-Solid Triboelectric Nanogenerator

Yun Chen, Bin Xie, Junyu Long, Yicheng Kuang, Xin Chen*, Maoxiang Hou, Jian Gao, Shuang Zhou, Bi Fan, Yunbo He, Yuan-Ting Zhang, Ching-Ping Wong*, Zuankai Wang*, Ni Zhao*

Adv. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adma.202104290