《Chemical Engineering Journal》：A dual-effect enhanced triboelectric-thermoelectric hybrid generator for forest ecological security monitoring
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摩擦电纳米发电机（TENG）与热电发电机（TEG）协同优化，通过集成热管理组件（TMC）和结构设计改进，有效抑制热积累导致的电荷衰减（降低55.7%）和功率下降（降低105.5%），实现双输出应用（虫害控制+火灾预警）的森林生态监测系统。
吴琼|陈梅|龚绍坤|郭恒宇|陈杰
重庆师范大学物理与电子工程学院，中国重庆，401331
摘要
摩擦电纳米发电机（TENGs）在机械能收集方面展现出巨大潜力。然而，其输出稳定性受到摩擦引起的热效应的限制，这种热效应会引发材料极化的减弱，从而导致材料的相对介电常数下降。尽管集成热电发电机（TEGs）可以减轻这种热损伤，但热电效应与TENGs耐久性之间的长期相互作用尚未得到充分研究。在这项工作中，我们系统地研究了摩擦电-热电混合发电机中的动态协同机制。通过将四个TEGs和四个散热器作为热管理组件集成到传统的旋转式摩擦电纳米发电机（R-TENG）中，并在材料选择、结构设计和热界面耦合方面进行针对性优化，提高了设备的耐久性和输出性能。在连续8小时的操作下，R-TENG的电荷衰减率降低了55.7％，而混合系统的峰值功率输出下降幅度减少了105.5％。此外，还展示了一种双输出应用策略，其中R-TENG用于害虫控制，TEGs用于火灾预警，凸显了该系统在森林生态监测中的实际应用价值。这项工作为通过减轻热诱导损失来稳定TENG性能提供了可行的途径，从而提高了热动态环境中机械能到电能转换的可靠性。
引言
随着对可持续能源需求的增长，利用环境中的机械能已成为可再生能源研究的关键领域[1,2]。在为此目的开发的各种技术中，摩擦电纳米发电机（TENGs）由于其低成本[3,4]、多样的结构设计[5,6]和广泛的材料兼容性[7]而受到了广泛关注。基于摩擦电和静电感应原理，TENGs能够将来自环境源的机械刺激（如微风[8,9]、雨滴[10,11]、水流[12,13]和人体运动[14,15]）转化为交流电信号。尽管具有巨大潜力，但在实际应用中，确保长时间运行的耐久性是一个主要限制。无论是在垂直接触分离、水平滑动还是旋转模式下，摩擦材料之间的紧密接触都会产生大量热量。这种热量积累不仅导致能量损失，还会提高摩擦材料的温度，从而破坏偶极子排列并降低极化程度。结果，材料的相对介电常数下降，降低了其储存电荷的能力。鉴于TENGs与平行板电容器的类比[16,17]，这种下降直接影响了其电输出。此外，温度的持续升高会加速材料表面电荷的耗散[18],[19],[20],[21]，进一步削弱了设备的输出稳定性。因此，制定有效的热管理策略对于提高设备耐久性和发挥其在实际应用中的全部潜力至关重要。
目前提高TENGs耐久性的努力包括通过复合材料[22],[23],[24]增强机械强度。在结构上，采用从接触模式转变为非接触模式和优化摩擦界面的方法来减少磨损并延长使用寿命[25],[26],[27]。然而，这些方法无法减轻由摩擦热引起的能量损失和性能下降。针对这一限制，杨等人提出了将热电发电机（TEGs）与TENGs集成以回收废热[28]的方案。虽然这一策略很有前景，但仅在单一接触模式和短时间运行的简化或理想化条件下进行了评估。这样的配置忽略了连续运行过程中出现的复杂热力学过程。因此，对热积累对TENG性能的长期影响进行系统研究仍然明显不足。
在这里，我们通过开发一种结合TEGs和锯齿状铝散热器的混合发电机，系统地研究了摩擦电和热电效应之间的动态协同作用，这些散热器作为热管理组件（TMC）。这种架构构成了双效应增强的摩擦电-热电混合发电机（DE-TTHG），在摩擦材料选择、结构设计和热界面耦合方面进行了针对性优化。与传统的R-TENG相比，配备TMC的设备在连续运行8小时后，电荷衰减率降低了55.7％，峰值功率输出提高了671.4％。此外，由于TEGs产生的额外电力，旋转式DE-TTHG的净功率衰减减少了105.5％，有效克服了长期使用中常见的热诱导退化现象。除了能量收集之外，还建立了一种双输出功能应用，利用TENGs的高电压和TEGs的温度敏感性：摩擦电模块可靠地为紫外线灯供电以实现害虫控制，而热电模块能够实时发出火灾警报。这些功能共同满足了森林生态系统中自主感知和响应的迫切需求。这项工作不仅加深了对热调节混合能源系统的理解，还为在复杂和热动态环境中集成能量收集和环境监测提供了一种可行的方法。
部分摘录
动态能量协同系统的结构和工作原理
在TENG运行过程中，摩擦在摩擦材料界面产生并积累热量。如图S1所示，摩擦热量的积累提高了摩擦材料的温度，从而加剧了内部分子的热运动。这种效应降低了材料的极性并降低了它们的相对介电常数，最终导致TENG传输的电荷减少[29],[30],[31],[32],[33]。这种热积累
结论
总之，将TEGs和铝散热器集成到DE-TTHG中，有效减轻了传统TENG在长时间运行过程中由于摩擦热积累引起的性能下降。通过对材料选择、结构设计和热界面耦合的研究进行了优化。在连续8小时的电机驱动运行下，集成TMC的旋转设备显示出55.7％的电荷衰减率降低
材料
使用了以下材料：聚碳酸酯（PC，厚度：0.12毫米，光学级，中国台州晨光塑料工业有限公司）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET，厚度：0.1毫米，双向取向，中国台州晨光塑料工业有限公司）、聚四氟乙烯（PTFE，厚度：0.18毫米，高纯度，中国台州晨光塑料工业有限公司）和氟化乙烯丙烯（FEP，厚度：0.08毫米，高纯度，中国台州晨光塑料工业有限公司）薄膜CRediT作者贡献声明
吴琼：撰写——原始草稿、可视化、形式分析、数据整理、概念构思。陈梅：软件开发、实验研究。龚绍坤：验证、方法论设计。郭恒宇：验证、方法论设计。陈杰：撰写——审稿与编辑、监督、资金筹集、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（NSFC，项目编号：52572204、52302219）、重庆市教育委员会科学技术研究计划（项目编号：KJZD-K202500505）和重庆市自然科学基金（项目编号：CSTB2025NSCQ-GPX1032）的财政支持。
