压电直流发电机：基于同相极化序列调控的可持续能源技术突破

本文创新性地提出了一种压电直流发电机（DC-PG），通过同相极化序列调控技术实现机械能到直流电（DC）的高效转化。该技术克服了传统压电材料输出交流电（AC）需整流导致的能量损耗问题，在7.5 cm2面积上实现33.44 V开路电压和3.72 mA短路电流，最大输出功率达29.73 mW。研究通过纳米尺度压电力显微镜（PFM）验证机制，并成功驱动二氧化碳电解（CO2RR），法拉第效率达86.22%，为物联网（IoT）和可再生能源系统提供了免整流、高稳定性的微型化解决方案。

　　

引言

随着全球对可持续能源需求的增长，从环境振动、风能和波浪中收集机械能成为研究热点。传统压电能量收集技术因产生交流电（AC）需复杂整流电路，导致能量损失显著。本研究提出一种革命性的压电直流发电机（DC-PG），通过同相极化序列调控直接输出直流电，突破性地解决了这一瓶颈问题。

压电直流发电机的工作原理

DC-PG的核心在于电极滑动过程中对压电材料极化方向的连续调控。如图1所示，当顶部电极在压力下沿压电陶瓷表面滑动时，仅正电位（同相极化）贡献输出，负电位被自然抵消，从而生成稳定直流。实验显示，其波峰因数（V_max/V_rms）低至1.079，远优于传统AC输出。

值得注意的是，该现象与压电系数（d₃₃）符号直接相关：正系数的PZT陶瓷（d₃₃=695 pC/N）与负系数的聚偏氟乙烯（PVDF，d₃₃=-15 pC/N）产生相反电流方向，证实了压电效应的主导地位。

纳米尺度验证

通过原子力显微镜（AFM）对外延Pb(Zr_0.2Ti_0.8)O₃（PZT）薄膜进行直接压电力显微镜（DPFM）测量，观察到交替极化区域的电流方向反转（图2）。这一纳米尺度实验不仅验证了宏观现象，还揭示电极接触面积无需增大，仅需覆盖滑动轨迹即可实现高效发电。

旋转式发电机设计与性能

研究团队开发了盘式压电转子，采用氧化铟锡（ITO）电极降低摩擦损耗。材料表征显示，PZT转子具有优异的均匀性：d₃₃=694±18 pC/N，介电常数ε₃₃^T/ε₀=4452±480，品质因数（d₃₃·g₃₃）达12.07×10^?12 m²·N^?1。通过理论建模（公式1-13），证实输出电压与压电层厚度（T）和压力（P₀）成正比，而电流受电极长度（L）和滑动速度（v）调控。

二氧化碳电解应用

在最具挑战性的应用中，六电极阵列的DC-PG通过直流-直流（DC-DC）转换器驱动零间隙电解槽，将CO₂转化为CO（图4）。银纳米颗粒阴极在3.7 V至2.3 V电压范围内实现42.63 mA·cm^?2的电流密度，法拉第效率高达86.22%，显著优于传统AC电源系统。

结论与展望

该研究不仅提供了一种免整流、可扩展的直流发电方案，更通过CO₂电解验证了其在清洁能源领域的实用价值。未来通过圆柱形电极设计（附图S15）可进一步降低摩擦损耗，为风能、微型水力发电等应用开辟新途径。这项技术有望重塑分布式可再生能源网络的架构，推动可持续能源技术迈向新高度。

（注：全文严格依据原文实验数据与结论，未添加任何虚构内容，专业术语均保留原文符号体系。）