滑动模式水泥基摩擦纳米发电机在智能基础设施中的新型能量收集范式

为解决传统能源短缺和环境污染问题，研究人员开发了一种基于滑动模式的水泥基摩擦纳米发电机(CBTENG)，可直接从基础设施表面收集机械能。研究揭示了滑动位移、速度、载荷及表面损伤对摩擦电性能的影响，最高输出达0.6 μA电流和7 V电压。该技术为智能建筑和可持续城市能源系统提供了创新解决方案。

　　

随着全球对可持续能源需求的增长，如何从日常环境中捕获分散的机械能成为研究热点。传统能源收集技术如太阳能或风能受限于环境条件，而道路、建筑等基础设施长期承受的机械摩擦能量尚未被有效利用。摩擦纳米发电机(TENG)因其能将机械能转化为电能而备受关注，但现有研究多集中于垂直接触-分离模式，对更适应高流量场景的滑动模式探索不足。此外，水泥基材料的表面损伤和腐蚀问题也制约着其实际应用。

针对这些挑战，中国的研究团队在《Materials Today Energy》发表了关于滑动模式水泥基摩擦纳米发电机(CBTENG)的突破性研究。该团队通过调控滑动参数和表面处理，系统分析了位移、速度、载荷及腐蚀对性能的影响，并验证了其在清洁活动和自然现象中的能量收集潜力。研究首次证明，通过简单抛光可修复酸蚀表面的性能退化，为智能基础设施的长期维护提供了可行方案。

关键技术方法包括：采用石墨烯纳米片(GNP)增强水泥基体，通过线性电机精确控制滑动参数，结合COMSOL模拟电位分布；利用光学显微镜和扫描电镜(SEM)表征表面形貌，通过电化学工作站测量开路电压和短路电流；设计三种实际场景（扫地、擦墙、落叶滑动）验证应用可行性。

2.1 器件设计与模拟
研究构建了由聚四氟乙烯(PTFE)薄膜与石墨烯-水泥板组成的滑动CBTENG，COMSOL模拟显示滑动距离与电位差呈正相关。水泥基体表面的孔隙、裂纹和骨料会降低有效接触面积，但通过优化表面粗糙度可改善电荷转移效率。

2.2 滑动参数影响
位移超过5 mm时电流趋于饱和，速度在16 mm/s时输出峰值（0.37 μA，4.81 V）。载荷50 g为最佳平衡点，过量会导致PTFE薄膜变形。电流对参数变化比电压更敏感，表明其直接依赖电荷转移动力学。

2.3 表面改性效应
10条划痕使电流降低80%，但20条划痕因产生新接触面而部分恢复性能。硫酸腐蚀导致孔隙率增加和水化产物溶解，使功率密度从70 μW/m²
降至50 μW/m²
，而重新抛光后性能提升31.5%，证实维护策略的有效性。

2.4 应用演示
扫地场景输出0.1 V/1.0 nA，墙面清洁达7 V/19 nA，落叶滑动产生1.5 V/1.9 nA，验证了CBTENG在多种机械能收集场景的适用性。

这项研究不仅填补了滑动模式CBTENG的理论空白，更提出了通过材料改性和表面维护提升耐久性的实用路径。其意义在于：1）为自供电智能基础设施提供可扩展的技术方案；2）揭示了环境因素与摩擦电性能的定量关系；3）开创了利用日常活动（如清洁）和自然现象（如落叶）收集能量的新范式。未来通过优化纳米填料（如MXene或TiO₂
）和集成能量管理电路，有望实现更高能量转换效率，推动绿色城市建设。