河南師范大學(xué)高書燕教授團(tuán)：一種新型3D打印自供電EF降解系統(tǒng)

供稿人:劉哲峰、李滌塵
供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　

基于摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）構(gòu)建的自驅(qū)動(dòng)電化學(xué)系統(tǒng)在電化學(xué)領(lǐng)域不斷地有新突破，并且展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。但隨著研究的不斷的深入，仍存在一些問題需要解決。尤其是復(fù)雜的TENG器件結(jié)構(gòu)會(huì)增加其制造過程的繁瑣程度，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。自驅(qū)動(dòng)能量源在實(shí)際應(yīng)用中隨著TENG器件的位置呈現(xiàn)分布式的特點(diǎn)，給大規(guī)模并網(wǎng)帶來困難或造成不必要的能量損失。

河南師范大學(xué)高書燕教授團(tuán)隊(duì)引入了3D打印技術(shù)來解決TENG器件的制作問題。將3D打印的柔性多層摩擦納米發(fā)電機(jī)（PFM-TENG）與N摻雜多孔碳材料作為EF陰極催化劑進(jìn)行深度結(jié)合，構(gòu)建了一種新型自供電EF降解系統(tǒng)。該P(yáng)FM-TENG具有簡單的多層結(jié)構(gòu)，但具有較高的輸出特性，Voc、Isc、Qtr、Pdendity分別為450.0 V、1.9 mA、2.9 μC和5.1 W m-2。

(a) PFM-TENG基本結(jié)構(gòu)和制作過程；(b) 自然狀態(tài)下組裝的PFM-TENG的實(shí)物圖； (c) 壓縮和輕微扭曲的狀態(tài)下的實(shí)物圖;(d) PFM-TENG工作機(jī)理示意圖 圖1 PFM-TENG的基本結(jié)構(gòu)和制作過程

(a) 隨摩擦單元數(shù)量增加的短路電流Isc；(b) 隨摩擦單元數(shù)量增加的電荷轉(zhuǎn)移量Qtr；(c) 隨摩擦單元數(shù)量增加的開路電壓Voc；(d) 隨著連接負(fù)載的增加，PFM-TENG的輸出功率密度；(e) 變壓后的Voc；(f)由整流器系統(tǒng)處理后的Isc; 圖2 PFW-TENG的輸出性能
這項(xiàng)工作通過N摻雜碳催化劑設(shè)計(jì)和3D打印摩擦電納米發(fā)電機(jī)的深度融合，實(shí)現(xiàn)了橙IV和結(jié)晶紫的高效降解，這不僅為制備催化活性可控的N摻雜碳催化材料提供了思路，同時(shí)也提出了一種創(chuàng)新方案，以自驅(qū)動(dòng)、數(shù)字化、批量生產(chǎn)、分布式和環(huán)保的方式布局面向未來的EF降解系統(tǒng)，甚至其他電化學(xué)系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：
3D printed triboelectric nanogenerator self-powered electro-Fenton degradation of orange IV and crystal violet system using N-doped biomass carbon catalyst with tunable catalytic activity（Nano Energy， 83（2021）105824，DOI:10.1016/j.nanoen.2021.105824）