脉冲气体射流调控气固界面接触起电机制及自供电气体泄漏报警系统设计

本研究针对气固界面接触起电（CE）机制不明、能量转换效率低等关键问题，通过脉冲气体射流冲击固体电极的创新方法，结合密度泛函理论（DFT）计算，揭示了N2/Al2O3界面电子定向转移的微观机制。团队开发的单电极模式气固摩擦纳米发电机（GS-TENG）实现了0.217 V开路电压输出，并构建了基于LabVIEW平台的自供电气体泄漏检测系统，触发阈值低至0.1 V。该研究为高熵能量收集提供了新思路，发表于《Cell Reports Physical Science》。

　　

在能源危机与智能化监测需求并重的时代，气固界面能量转换机制始终是制约环境能量收集技术发展的瓶颈。传统研究多聚焦于固-固或固-液体系，而气体分子因弱相互作用力和高可压缩性，其与固体接触时的电荷转移规律长期缺乏系统认知。昆明理工大学Sichen Lu团队在《Cell Reports Physical Science》发表的研究，通过脉冲气体射流这一创新方法，首次实现了纯气体与固体材料的直接起电，为破解这一科学难题提供了全新视角。

研究采用单电极模式气固摩擦纳米发电机（GS-TENG）为核心平台，通过调控脉冲气体射流参数（压力0.2-0.6 MPa，频率2.0 Hz）冲击铝箔电极，结合计算流体力学（CFD）模拟和第一性原理计算，构建了从宏观现象到微观机制的全景解析体系。实验样本包括2.0×2.0 cm和4.0×4.0 cm铝箔电极，表面分别覆盖80.0 μm聚四氟乙烯（PTFE）薄膜和天然Al₂O₃氧化层作对比研究。

Built-in electric field by dynamically controlling gas adsorption

研究发现高压氮气射流（0.2 MPa）冲击铝箔时，N₂分子在Al₂O₃表面发生物理吸附并引发电子转移，形成内建电场。当吸附位点饱和时，系统产生最大电信号（0.030 V开路电压）。相比纯氮气，含氧空气因O₂的强电负性使输出提升66%（0.050 V），而PTFE覆盖层因化学惰性导致信号衰减40%。

Experimental principles and preliminary results

通过搭建脉冲气体-电信号同步采集系统，发现电极尺寸增大至4.0×4.0 cm时，射流高度40.0 mm处的开路电压显著提升至0.038 V。CFD模拟显示壁面射流区扩大增强了气体分子吸附，而2.0 mm高度时形成的停滞区使电荷转移量达到峰值0.026 nC。

Effect of the gas flow field on electrical output

关键参数实验表明：射流压力从0.2 MPa增至0.4 MPa时，开路电压提升342%至0.217 V；扫描电镜（SEM）证实Al₂O₃多孔结构为气体吸附提供大量活性位点，其输出性能是PTFE膜的1.7倍。

First-principles calculations

密度泛函理论计算揭示：α-Al₂O₃(0001)/Al(111)异质结界面存在1.35 eV费米能级偏移，形成p-n结内建电势。当7个N₂分子吸附时，表面电荷密度增加使费米能级偏移量扩大至2.19 eV，从电子态密度层面验证了压力-输出正相关性。

Application demonstration

基于该原理设计的管道泄漏检测系统，可在0.4 MPa压力下通过0.1 V阈值触发报警，定位精度达1.0 mm泄漏孔。湿度实验显示60%以下环境输出稳定（0.162 V），经10,000次循环后信号仅衰减12.21%，证实其工程应用可靠性。

这项研究首次建立了脉冲气体射流调控气固界面起电的理论框架，通过DFT计算阐明了Al₂O₃表面电子态密度重分布机制。开发的GS-TENG不仅为环境能量收集提供了新范式，其构建的自供电传感系统更在工业安全监测领域展现出独特优势。该成果对深化界面电荷转移认知、推动摩擦电传感器件微型化具有重要指导意义。