基于喷墨打印电极的摩擦电纳米发电机在文物保护中的应用

《Materials Letters》：Triboelectric nanogenerator based on Inkjet-Printed electrode for cultural relic protection

摩擦纳米发电机（TENG）电极形状与曲率半径对电气特性的影响研究。通过喷墨打印电极（IPE-TENG）集成碳纳米管电极与纸张基摩擦电层，构建平面诱导效应边缘电容模型，分析电极边长、分片数量、尖端角度及数量对输出电压（最高15.68V）、电流（最高231.03nA）及电荷转移量的影响，最优电极形状为无尖端圆形。将IPE-TENG与水转印技术结合，开发出文物防盗系统，验证了其在物联网传感领域的应用潜力。

　　在物联网（IoT）技术迅速发展的背景下，传感器网络作为实现万物互联的关键组成部分，正面临着多源异构性、高制造成本以及低效率等问题，这些限制因素严重影响了TENG（摩擦纳米发电机）在物联网传感领域的广泛应用。TENG作为一种通过摩擦起电和静电感应耦合实现机械能转化为电能的新型能量收集技术，因其低成本、高效率和良好的稳定性，被广泛应用于光学传感系统、生物电信号采集、环境监测以及多模态系统集成等多个领域。然而，传统TENG的电极层通常通过嵌入或粘贴的方式与摩擦层结合，形成三维结构，这不仅增加了制造成本，也给维护和更换带来了困难。同时，由于电极层的厚度增加，电极与摩擦层之间的接触界面容易受损，进一步影响了其在实际应用中的可靠性。

为了解决上述问题，研究人员尝试将TENG的结构从三维优化为二维平面结构，即将电极层与摩擦层整合在同一平面上，以简化结构并提高其可维护性和抗损坏能力。这一创新设计不仅降低了制造成本，还使得TENG在各种应用场景中更具适应性。例如，2022年，Wang等人设计了一种基于液滴原理的集成式电能发电机，其电极和介电层均采用二维平面结构；2023年，Zhang等人则首次基于横向相互作用机制设计了一种平面电极结构，使得电极和介电层的集成更加高效；2024年，Li等人利用再生蚕丝薄膜开发了一种可穿戴的图案化单电极TENG，并通过喷墨打印技术成功构建了银电极阵列，展示了其在人机交互和人工智能领域的巨大潜力；2025年，Feng等人结合激光直接写入和喷墨打印技术，在皮革纤维表面构建了一种自供电的摩擦电传感器阵列，实现了对计算机程序中卡通图像的精准控制，为柔性电子产品的工业化提供了新思路。

在这些研究基础上，本研究进一步提出了一种基于喷墨打印电极的TENG（IPE-TENG），即通过喷墨打印技术将碳纳米管（CNT）电极层与纸基摩擦层整合在同一平面上。这种设计不仅有效避免了介电层厚度对电性能的影响，还使得TENG的结构更加紧凑和实用。为了深入探讨电极形状及曲率半径对IPE-TENG电性能的影响，研究构建了一个基于平面感应效应的边缘电容模型，并通过实验分析了电极边缘长度、分割条数、电极尖端角度以及尖端数量等因素对IPE-TENG性能的影响。

实验结果显示，适当增加电极边缘长度和分割条数可以显著提高IPE-TENG的等效电容，从而提升单次接触分离过程中电荷转移的效率，进而改善其电性能。当电极边缘长度达到36厘米时，IPE-TENG的输出电压和电流分别达到10.22伏特和169.35纳安，此时其电性能表现最佳。然而，当电极边缘长度进一步增加至112.5厘米时，IPE-TENG的输出性能反而下降，这可能与电极尖端区域电荷密度的升高导致电荷相互排斥有关。此外，研究还发现，电极尖端角度的变化对IPE-TENG的电性能影响较小，但当电极尖端数量为零时，即电极形状为圆形，IPE-TENG的输出电压、电流和转移电荷分别达到15.68伏特、231.03纳安和13.45纳库，表明圆形电极在电性能优化方面具有显著优势。

为了验证IPE-TENG在实际应用中的可行性，研究还开发了一种基于水转移打印技术的IPE-TENG贴纸，并将其应用于文物防盗系统中。这种贴纸能够在不破坏文物外观的前提下，实现对文物移动的实时检测和报警功能。通过将IPE-TENG与差分放大器、微控制器和LED灯集成，系统能够精准捕捉电极在文物移动时产生的电荷变化，并通过电路处理后触发报警信号。实验表明，该系统的电流输出在10,000次循环后依然保持稳定，且在一个月内没有明显衰减，证明其具有良好的稳定性和耐久性，适用于各类博物馆、文物发掘现场和临时展览等场景。

本研究不仅揭示了电极形状和曲率半径对TENG电性能的影响规律，还为TENG在物联网传感领域的进一步发展提供了理论支持和实践指导。通过构建边缘电容模型，研究人员能够更系统地分析电极结构对电荷分布和电场强度的影响，从而优化电极设计以提升TENG的输出性能。此外，IPE-TENG的二维平面结构使其在制造和集成方面更加灵活，便于大规模生产和应用。在实际应用中，IPE-TENG贴纸作为一种隐蔽且高效的传感装置，展示了其在物联网技术中广泛的应用前景。

从实验设计来看，本研究采用了一种系统性的方法，通过改变电极的形状、曲率半径和结构参数，全面评估其对IPE-TENG性能的影响。实验材料包括聚四氟乙烯（PTFE）薄膜、纸张、CNT导电浆料、铜箔胶带以及水转移纸等，确保了实验的可重复性和可扩展性。在实验过程中，研究人员通过喷墨打印机将CNT导电浆料均匀地印刷在纸基材料上，从而实现电极与摩擦层的无缝整合。通过调整电极边缘长度、分割条数、尖端角度和尖端数量，研究者能够探索不同结构参数对电荷转移效率和电性能的影响。

在测试方面，研究采用了多种先进的设备，包括场发射扫描电子显微镜（SEM）用于观察电极的微观结构，线性电机和步进电机用于驱动TENG的接触分离运动，示波器、低噪声电流前置放大器和可编程电位计用于测量IPE-TENG的电性能。所有实验均在稳定阶段进行，以确保数据的准确性。此外，通过改变负载电阻，研究人员进一步分析了IPE-TENG在不同工作条件下的输出特性。实验结果表明，随着负载电阻的增加，IPE-TENG的输出电压逐渐升高，而电流则相应降低。当负载电阻达到1 GΩ时，IPE-TENG的瞬时功率达到最大值，为1.69微瓦，表明该结构在特定负载条件下具有最佳的能量转换效率。

稳定性测试显示，无论经过多少次循环或长时间运行，IPE-TENG的输出电流均保持稳定，未出现明显衰减，证明其在实际应用中具有良好的耐久性和可靠性。这些结果不仅为TENG的结构优化提供了理论依据，也为未来在物联网传感领域的应用拓展奠定了基础。此外，IPE-TENG贴纸在文物防盗系统中的成功应用，进一步展示了其在实际工程中的可行性，同时也为其他类似应用场景提供了借鉴。

综上所述，本研究通过设计和实验验证，系统地探讨了电极形状和曲率半径对IPE-TENG电性能的影响。研究发现，优化电极边缘长度和分割条数可以显著提升其电容效应，从而增强电荷转移效率；而圆形电极在电荷分布和电场强度方面表现更优，适合用于高灵敏度和高输出性能的传感系统。此外，IPE-TENG的二维结构使其在制造和集成方面更具优势，同时通过水转移打印技术实现的贴纸形式，为TENG在实际应用中的隐蔽性和可扩展性提供了新的解决方案。这些研究成果不仅拓展了TENG在物联网传感领域的应用范围，也为未来的柔性电子设备和智能传感系统提供了新的思路和方法。