综述：交变磁场增强电催化作用：机理、协同效应及未来展望

《Nano Energy》：Alternating magnetic field-enhanced electrocatalysis: Mechanisms, synergistic effects, and future perspectives

石墨化落叶/硅胶非接触式摩擦纳米发电机通过碳化废弃落叶制备可拉伸电极与电荷捕获层，实现95.1V高开路电压及4000分钟电荷保持，耐受100%拉伸应变1000次循环和95%湿度环境，为智能农业提供自供电检测系统。

　　这项研究提出了一种高性能的非接触式摩擦纳米发电机（TENG），该设备能够高效地从物体运动和自然刺激中收集机械能，例如风和雨。它不仅作为可持续的能源来源，还能够实现自供电的传感功能，为物联网（IoT）应用提供了一种全新的解决方案。该设备采用了一种可调的多功能复合材料，这种材料来源于类似石墨的碳化落叶，具备可拉伸导体和摩擦电荷储存的功能，能够实现电荷的捕获、传输和储存。这种协同设计在非接触模式下最大化了电荷的产生，同时增强了电荷的保留能力（4000分钟）和输出性能（95.1伏特）。设备在100%拉伸应变下可运行超过1000个循环，并且在高湿度（约95%）环境下仍能保持其功能。此外，它能够在非接触模式下，仅以2毫米的分离距离，有效收集风和雨的能量，从而为小型电子设备供电，甚至能够点亮多个LED灯。该设备的自供电非接触式传感功能还被用于构建一个智能分类系统，可以准确识别不同种类的蛋，这在智能农业中具有广阔的应用前景。

### 1. 背景与研究意义

在物联网（IoT）迅速发展的时代，分布式设备在实时数据采集方面发挥着至关重要的作用，它们正在改变现代生活方式，并在多个领域如可穿戴电子、医疗健康和环境监测中提升效率和便利性。然而，传统的分布式设备通常依赖电池供电，这带来了诸多实际问题。电池的寿命有限，容量受到制约，同时其生产和废弃过程会对环境造成污染。因此，开发能够实现可持续运行的能源收集技术，对于推动物联网应用的发展至关重要。

在众多能源收集技术中，摩擦纳米发电机（TENG）因其独特的能量转换能力而备受关注。TENG能够将随机频率的机械能，如人体运动、海浪、风和雨等，转化为可用的电能。这一技术的优势在于其材料的多样性、设计的灵活性以及较高的性能，使得其在从可穿戴设备到智慧城市等多个应用场景中展现出巨大潜力。然而，传统的TENG通常依赖于物理接触和分离机制，这导致了材料的磨损和性能的下降，影响了其长期运行的可靠性和稳定性。

为了解决这些问题，研究人员开始探索非接触式TENG的设计。非接触式TENG不仅具有更高的耐用性和可靠性，还能够避免因物理接触而带来的安全隐患。然而，目前报道的非接触式TENG材料，如钙钛矿、硅氧烷、拓扑材料以及二维材料如MXene和石墨烯等，通常涉及复杂的合成过程，且生产过程中会产生污染，这在一定程度上限制了它们在工业制造中的可行性。此外，非接触式TENG的性能仍然相对较低，例如基于Ti?C?T?的非接触式TENG在70厘米的工作距离下只能产生55–105毫伏的电压，而基于CaCu?Ti?O??的设备在0.5毫米的工作距离下达到15.1伏特和420纳安的电流，但这些数值仍无法满足实际应用的需求。基于石墨烯的非接触式TENG在5毫米和2毫米的分离距离下分别产生9.2和20伏特的电压，但其性能仍存在局限性。

为了拓宽TENG的适用性，开发具有形状适应性和机械耐久性的TENG显得尤为重要，尤其是对于可拉伸电极和摩擦电层的设计。然而，目前常用的可拉伸电极材料，如银纳米线（AgNWs）、碳纳米管（CNTs）、液态金属和导电水凝胶等，往往难以大规模生产，制造成本高，且不适合用于物联网等大规模应用场景。尽管已有研究通过激光加工或高温碳化塑料和生物材料来制备柔性TENG，但针对电极和摩擦电层的低成本、高效的非接触式TENG的研究仍然较少。

因此，这项研究提出了一种基于类似石墨的碳化落叶粉末（GCLP）的高性能非接触式TENG（UCL-NG），该设备能够实现可持续的能量收集和自供电的传感功能。研究者利用自然落叶作为原材料，通过碳化工艺将其转化为功能性的GCLP，从而构建出可拉伸的导体和摩擦电层。这种设计不仅解决了传统TENG在材料磨损和性能下降方面的不足，还利用了自然落叶作为资源，实现了材料的可持续利用和环境友好型制造。

### 2. 设备设计与材料创新

UCL-NG的设计采用了双层结构，由浓度调节的GCLP/硅橡胶（SR）复合材料构成。其中，15%重量比的GCLP/SR复合材料被用作可拉伸且导电的电极层，而1%重量比的GCLP/SR复合材料则通过表面微结构的工程化设计，用作摩擦电和电荷储存层。这种集成结构使得设备能够高效地捕获、传输和储存电荷，从而在非接触模式下实现高输出性能。

GCLP的制备过程相对简单且环保，主要依赖于自然落叶的回收和碳化。研究者收集了特定种类的落叶，如Ficus septica Burm. f.，并将其切割成适当尺寸以适应石墨箱。随后，这些落叶在管式炉中于1000°C的温度下碳化12小时，使用氮气作为保护气体。碳化后的落叶片被转移至聚乙烯瓶中，并通过球磨机在300转/分钟的速度下研磨48小时，最终得到GCLP。

这种材料的创新在于其来源的可持续性和制造过程的低能耗。自然落叶是一种季节性丰富的资源，且其碳化过程能够减少对环境的影响。与传统的合成或化学改性材料相比，GCLP不仅成本低廉，而且具备碳中性特性，符合可持续和循环材料策略的要求。此外，GCLP的生物可降解性也使其在环境友好方面具有显著优势。

### 3. 性能表现与应用潜力

UCL-NG在非接触模式下的性能表现非常突出。设备在2毫米的分离距离下，能够产生高达95.1伏特的开路电压，同时具有出色的电荷保留能力（4000分钟）。此外，该设备在机械耐久性方面也表现出色，能够在100%拉伸应变下持续运行超过1000个循环，并且在高湿度环境下（约95%相对湿度）仍能保持其性能。这些特性使得UCL-NG在恶劣环境条件下具备较强的适应能力。

从实际应用角度来看，UCL-NG能够有效收集风和雨的能量，为小型电子设备提供持续的电力支持。例如，它能够为数字手表和温湿度计等设备供电，甚至可以点亮多个LED灯。这一能力使得UCL-NG在无需外部电源的情况下，能够实现自供电运行，从而降低了对传统电池的依赖。

更进一步，该设备的自供电非接触式传感功能被用于构建一个智能分类系统，能够准确识别和区分鸡、鸭、鹌鹑和鹅的蛋。这一系统的实现不仅展示了UCL-NG在智能农业中的应用潜力，还为其他农业自动化系统提供了新的思路。通过非接触式检测，UCL-NG能够在不接触物体的情况下实现精准识别，提高了农业生产的智能化水平。

### 4. 环境友好与可持续发展

UCL-NG的设计不仅关注其性能表现，还特别强调了其环境友好性和可持续性。传统的TENG材料往往需要复杂的合成过程，这不仅增加了制造成本，还可能对环境造成污染。而UCL-NG采用的GCLP则来源于自然落叶，这使得其制造过程更加简单和环保。此外，GCLP的碳中性特性也使其在减少碳排放方面具有重要意义。

在资源利用方面，UCL-NG的材料来源具有极大的优势。自然落叶作为一种常见的废弃物，通常被忽视或随意丢弃，而将其转化为功能性材料，不仅能够减少环境污染，还能实现资源的循环利用。这种从废弃物中提取价值的方法，符合当前可持续发展的趋势，也为其他可回收材料的开发提供了参考。

从制造角度来看，UCL-NG的制备过程能够实现低能耗和高效率。由于GCLP的制备依赖于自然落叶的碳化，这一过程不需要复杂的化学反应或高温处理，从而降低了能源消耗。此外，设备的结构设计也简化了制造流程，使得其更易于大规模生产。这种简化不仅降低了制造成本，还提高了设备的可推广性。

### 5. 研究成果与未来展望

这项研究的成果在于开发了一种高性能、非接触式、环境友好的TENG，能够实现可持续的能量收集和自供电的传感功能。通过优化GCLP的浓度，研究者成功构建了适用于不同应用场景的设备，使其在多种分离距离下都能保持稳定的输出性能。此外，设备的机械耐久性和环境稳定性也得到了显著提升，使其在实际应用中更具可行性。

未来，UCL-NG的研究方向可以进一步拓展。例如，可以探索其在更多环境条件下的适用性，如极端温度或高海拔地区，以验证其在不同气候条件下的稳定性。此外，研究者还可以尝试将UCL-NG与其他传感器技术相结合，以实现更复杂的智能系统。例如，可以将其与温度、湿度或气体传感器集成，以监测农业环境中的多种参数，从而提高智能农业系统的全面性和智能化水平。

在应用层面，UCL-NG的潜力不仅限于农业领域。它可以被应用于环境监测系统，如空气质量监测或水位检测，这些系统通常需要长时间运行且难以频繁更换电池。此外，UCL-NG还可以用于可穿戴设备，为智能手表、健康监测器等设备提供持续的电力支持，从而减少对传统电池的依赖。在智慧城市中，UCL-NG可以作为分布式能源收集系统的一部分，为城市中的各种智能设备提供清洁能源。

### 6. 作者贡献与研究支持

本研究由多位研究人员共同完成，其中Wei-Chen Peng负责验证、调查和数据管理；Kuan-Chang Chang参与了论文的撰写、编辑、监督、资金获取、概念设计等工作；Bing-Yan Xie负责可视化、验证、软件开发、方法论、调查和数据管理；Ying-Chih Lai则参与了论文的撰写、编辑、可视化、验证、监督、资源管理、项目管理、方法论、调查、资金获取和数据分析。这些作者在不同环节中发挥了重要作用，共同推动了该研究的完成。

此外，该研究得到了多个机构的资金支持。其中包括台湾的“国家科学委员会”、台湾“教育部高教深耕计划”中的“可持续负碳资源创新中心”，以及深圳市政府的科技基金。这些资金支持为研究提供了必要的资源和条件，使得UCL-NG的开发和测试得以顺利进行。

### 7. 结论与影响

综上所述，这项研究开发了一种基于自然落叶的高性能非接触式TENG，为物联网应用提供了一种新的能源解决方案。该设备不仅能够高效收集风和雨的能量，还具备出色的机械耐久性和环境稳定性，能够在高湿度条件下正常运行。此外，UCL-NG的自供电非接触式传感功能为智能农业系统的开发提供了新的思路，使其能够准确识别和分类不同种类的蛋。

这项研究的意义在于其对可持续材料和能源收集技术的贡献。通过将自然落叶转化为功能性材料，研究者不仅解决了传统TENG在材料磨损和性能下降方面的难题，还实现了资源的循环利用和环境友好型制造。这种创新性的材料应用为未来智能农业、环境监测和可穿戴电子设备的发展提供了新的方向。

UCL-NG的成功开发展示了自然材料在高科技领域的应用潜力，也为其他研究者提供了参考。未来，随着对可持续材料和能源收集技术的进一步探索，类似的创新可能会在更多领域得到应用。例如，可以将UCL-NG与其他智能系统相结合，实现更广泛的功能，如实时监测、数据传输和自动控制等。这些应用将进一步推动物联网技术的发展，使其更加环保、高效和智能化。

总之，这项研究不仅在技术层面取得了突破，还在环境和可持续发展方面提供了重要的启示。通过利用自然落叶作为原材料，研究者成功构建了一种高性能、非接触式、环境友好的TENG，为未来的智能农业和物联网应用开辟了新的道路。这种材料创新和设备设计的结合，不仅有助于解决当前能源收集技术的瓶颈，还为实现绿色可持续的电子系统提供了可行的方案。