《Nanoenergy Advances》：Metal–Organic Framework Triboelectric Nanogenerator for High-Voltage Energy Harvesting and Self-Powered Plasma Excitation
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材料选择对摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator，TENG）的电学性能具有决定性影响。尽管已有若干金属有机骨架（Metal–Organic Framework，MOF）被用于摩擦能量收集，但绝大多数MOF材料尚未作为本征活性摩擦
材料选择对摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator，TENG）的电学性能具有决定性影响。尽管已有若干金属有机骨架（Metal–Organic Framework，MOF）被用于摩擦能量收集，但绝大多数MOF材料尚未作为本征活性摩擦层被系统探索。同时，TENG虽已广泛用于低功耗电子与传感，但其本征高电压输出在实用等离子体与气体电离场景中的利用仍十分有限。本研究将本征MIL-101(Cr) MOF作为新型活性摩擦材料用于高电压能量收集，通过极性切换与表面电势研究系统表征其摩擦极性，并针对硅橡胶（silicone）、氟化乙烯丙烯（FEP）、聚四氟乙烯（PTFE）等对比材料评估相对摩擦行为，最终选用MIL-101(Cr)/silicone组合进行电学表征与高压应用。所制备器件获得约1.2 kV开路电压、约110 μA短路电流与约8.46 W/m2峰值功率密度，并借助徒手敲击成功驱动氦（He）、氖（Ne）、氩（Ar）与汞（Hg）放电管，直接实现自供电压等离子体激发与气体电离，为MOF基TENG面向高压脉冲功率、等离子体生成及自供电放电应用提供新路径。
研究背景与问题提出：摩擦纳米发电机（TENG）可将环境机械能通过接触起电（contact electrification）与静电感应转化为电能，具有选材广、低频高效、结构简单的优势；但其天然呈现高电压、低短路电流与高内阻特征，应用长期停留在LED与低功耗传感层面。金属有机骨架（MOF，金属节点与有机配体构筑的多孔晶态材料）具备可调摩擦极性、高介电极化、大比表面积与孔隙限域电荷陷阱能力，但多数MOF尚未作为本征摩擦层开发。MIL-101(Cr)此前多用作吸附、催化与复合填料，少见于能量收集；同时TENG本征高压能力在等离子体、气体放电等场景中明显利用不足。因此，研究人员以本征MIL-101(Cr)为活性摩擦层，构建垂直接触分离式TENG，旨在验证其高压输出并拓展至自供电等离子体应用。
关键技术方法：研究采用溶剂热法合成MIL-101(Cr)晶体粉末，以刷涂法在铝箔/碳导电基底上构建均匀摩擦层，配对硅橡胶构成垂直接触分离（Vertical Contact-Separation，VCS）模式器件；通过极性切换测试、表面电势测量、开闭路电学表征、负载匹配与循环力学测试评估性能；并利用示波器、电流前置放大与衰减压探进行信号采集，最后通过气体放电管与空气间隙火花直接验证高电压输出。
材料表征与结构验证：研究人员通过粉末X射线衍射（PXRD）确认MIL-101(Cr)特征晶面与高相纯，无残留配体或铬氧化物杂相；场发射扫描电镜（FESEM）显示多面体纳米晶团聚形貌，能谱（EDX）验证C、Cr、O元素组成；傅里叶红外（FT-IR）与拉曼光谱证实对苯二甲酸配体与Cr-O配位结构；X射线光电子能谱（XPS）显示Cr为三价态（Cr3?），C 1s、Cr 2p、O 1s分峰匹配铬-氧簇与羧酸配位环境，比表面与孔容测试支持其多孔限域特性。
电学性能与摩擦极性：通过多组对偶材料对比，MIL-101(Cr)在硅橡胶、FEP、PTFE下表现更强输出，表面电势证明其主要呈摩擦正极性（tribo-positive），电子由MOF转移至负电材料。MIL-101(Cr)–silicone器件开路电压约1200 V，短路电流约110 μA，转移电荷约264 nC/周期，电荷密度10.57 nC/cm2；极性反转测试确认信号源于本征摩擦效应而非噪声。负载特性显示内阻匹配于10 MΩ，峰值功率密度8.46 W/m2；单周期平均能量约118.58 μJ。万次级机测与手动敲击均保持输出稳定，证明机械耐久性。
低压与高压应用演示：器件经桥式整流可点亮串联LED与EXIT标识，给电容充电并持续驱动数字手表；进一步在空气间隙产生可见火花，直接激发He、Ne、Ar、Hg放电管等离子体辉光，证实TENG高电场足以驱动气体击穿与电离，突破传统低功耗演示边界。
讨论与结论总结：研究证明本征MIL-101(Cr)可作为高效正极性摩擦材料，其高比表面、介电极化与配位界面利于电荷生成、存储与低泄漏。MIL-101(Cr)–silicone TENG兼具高电压、适中功率与长期稳定性，且无需复杂升压即可自供电产生等离子体。结论指出：该工作开发了基于本征MIL-101(Cr)的高电压TENG，输出约1200 V、110 μA、8.46 W/m2，万次循环稳定，成功驱动LED、手表与气体放电管；He、Ne、Ar、Hg等离子激发直接证明MOF基TENG可超越低功耗电子，走向高压脉冲功率与自供电等离子体系统。研究同时提示合成中HF与残留溶剂风险，未来需发展更绿色制备与可控涂覆工艺。
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