2025年摩擦納米發(fā)電機(jī)熱點(diǎn)回眸

原文發(fā)表于《科技導(dǎo)報》2026 年第1 期 《2025年摩擦納米發(fā)電機(jī)熱點(diǎn)回眸 》

摩擦納米發(fā)電機(jī)是一項(xiàng)新興的實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的平臺技術(shù)，在人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和高熵能源等多個領(lǐng)域都有巨大的應(yīng)用潛力。《科技導(dǎo)報》邀請王中林院士團(tuán)隊(duì)撰文，文章綜述了2025年以來提高摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出性能的最新策略和方法，回顧了摩擦納米發(fā)電機(jī)在多種應(yīng)用領(lǐng)域的最新進(jìn)展，以便更多的科技工作者能了解摩擦納米發(fā)電機(jī)的最新發(fā)展動態(tài)，促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域更快發(fā)展。

自2012年王中林團(tuán)隊(duì)研發(fā)摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）以來，該領(lǐng)域在全球研究中持續(xù)蓬勃發(fā)展，目前已發(fā)展成一個涵蓋材料科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)和電氣工程學(xué)等多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域。目前該技術(shù)已不再受限于納米尺度，其核心機(jī)理在于利用摩擦電效應(yīng)產(chǎn)生的麥克斯韋位移電流，耦合接觸起電和靜電感應(yīng)效應(yīng)，將環(huán)境機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能或電信號。TENG的主要應(yīng)用包括：

（1）微納能源，TENG有望解決電子設(shè)備長時程供電困難、維護(hù)成本高的瓶頸問題；

（2）自驅(qū)動傳感，TENG可將微弱的各類機(jī)械信號（力、形變、運(yùn)動等）轉(zhuǎn)換為電信號，實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動或主動式的傳感技術(shù)；

（3）高壓電源，TENG可以應(yīng)用為經(jīng)濟(jì)、安全、可靠的高壓電源；

（4）藍(lán)色能源，TENG可有效收集低頻水波能量，實(shí)現(xiàn)海洋藍(lán)色能源，助力“雙碳”重大戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

近年來，TENG 已發(fā)展成為一個國內(nèi)外廣泛研究的前沿領(lǐng)域，且是一個具有顯著多學(xué)科交叉創(chuàng)新特征的領(lǐng)域。

2025年以來，TENG在性能提升、技術(shù)開發(fā)和工程應(yīng)用等方面都取得了顯著的進(jìn)步，如圖1所示。

圖1 TENG 2025年度6大熱點(diǎn)方向論文統(tǒng)計

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性能提升

2025年，研究人員在之前的研究基礎(chǔ)上，從精細(xì)優(yōu)化其摩擦介電材料性能、持續(xù)升級其結(jié)構(gòu)設(shè)計和能量管理策略等多維度協(xié)同出發(fā)，使TENG綜合性能進(jìn)一步提升，為其走向?qū)嶋H應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1.1 摩擦介電材料性能優(yōu)化與調(diào)控

為了構(gòu)建出高性能的TENG，研究人員從摩擦介電材料的表面形貌、組成成分變化等方面展開了相關(guān)的探索。

在表面修飾層面，通過引入納米顆粒（圖2（a））或利用激光刻蝕構(gòu)建微納結(jié)構(gòu)以構(gòu)建多尺度粗糙結(jié)構(gòu)來增加有效接觸面積和電荷存儲位點(diǎn)，從而顯著提升表面電荷密度和輸出電流。在化學(xué)改性層面，利用引入或調(diào)控特定官能團(tuán)，不僅從分子和介觀尺度優(yōu)化電荷產(chǎn)生，可直接增強(qiáng)材料的電荷捕獲能力與摩擦電特性，而且改善潮濕環(huán)境下的性能。

采用復(fù)合材料的設(shè)計（圖2（b）），結(jié)合電荷產(chǎn)生、存儲與運(yùn)輸功能分層或一體化設(shè)計，可使器件輸出性能參數(shù)獲得大幅度提升。這些從摩擦介電材料微觀電荷行為到宏觀結(jié)構(gòu)的協(xié)同優(yōu)化、協(xié)同創(chuàng)新，共同構(gòu)成了推動TENG輸出性能邁向新高度的核心驅(qū)動力。

圖2 摩擦介電材料性能優(yōu)化與調(diào)控

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能優(yōu)化

將TENG的機(jī)電轉(zhuǎn)換機(jī)制與結(jié)構(gòu)的改進(jìn)相結(jié)合，不僅可以提高其電學(xué)輸出性能，還可以提高設(shè)備的耐磨性和使用壽命等性能。基于界面累積電荷高效釋放為目的，利用其器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計（圖3（a））來突破傳統(tǒng)滑動式TENG在界面電荷鎖定與固有電容限制下的性能瓶頸。通過電極巧妙的設(shè)計，不僅能有效抑制界面粘附與摩擦熱生成，而且能實(shí)現(xiàn)電荷在負(fù)載回路中的全周期有效傳輸，增強(qiáng)輸出性能（圖3（b））。

解鎖界面累積電荷、器件多通道設(shè)計等策略的共同發(fā)力，使得TENG已在微小位移、低頻率、復(fù)雜工況下兼具高輸出與高穩(wěn)定性，為自供能傳感、智能系統(tǒng)與環(huán)境能量采集落地奠定結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

圖3 TENG結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.3 TENG能量管理與性能優(yōu)化

2025年在能源管理方面也取得了顯著的進(jìn)展，針對低電平、間歇輸出設(shè)計定制電源管理電路（圖4（a）），實(shí)現(xiàn)高瞬時電流與持續(xù)供電。構(gòu)建雙相對稱降壓轉(zhuǎn)換器（圖4（b））解決三元直流TENG輸出存在閾值和電壓不可控特性問題，實(shí)現(xiàn)電容交替充放電，從而獲得高功率密度與電壓穩(wěn)定輸出。綜上所述，創(chuàng)新的能量管理電路有效緩解了TENG輸出不穩(wěn)定和阻抗不匹配等問題，為其在自供電系統(tǒng)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

圖4 TENG能源管理策略

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微納能源

TENG憑借其小型化、輕量化、材料選擇廣泛、結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活以及制備成本低等核心優(yōu)勢，能夠?qū)⒆匀画h(huán)境和生物體中廣泛存在的機(jī)械能高效轉(zhuǎn)化為電能。通過這一能量轉(zhuǎn)換機(jī)制，TENG可為微納電子器件提供持續(xù)穩(wěn)定電力支持，推動自供能系統(tǒng)發(fā)展。

2.1 微風(fēng)能收集

風(fēng)能作為一種可再生且全域分布的綠色能源，是緩解能源危機(jī)與環(huán)境壓力的重要候選項(xiàng)。TENG技術(shù)在低速風(fēng)能捕獲方面展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢。

Pan等報道了一種由風(fēng)杯驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)開關(guān)式TENG，該裝置采用機(jī)械觸發(fā)開關(guān)（開?關(guān)?開）以增強(qiáng)旋轉(zhuǎn)過程中的瞬時電流脈沖。Ding等提出了一種多層拍打式TENG，通過升阻調(diào)節(jié)機(jī)制實(shí)現(xiàn)風(fēng)能采集。Qu等報道了一種可堆疊雙葉片結(jié)構(gòu)的風(fēng)致薄膜振動TENG，它由通過螺桿擠出和連續(xù)壓延工藝制備的PVDF與PA11薄膜構(gòu)成。通過持續(xù)優(yōu)化空氣動力學(xué)約束結(jié)構(gòu)，TENG在2~5 m/s的低風(fēng)速范圍內(nèi)保持高效運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)1183.33 mW/m2的峰值功率密度（圖5（a））。更重要的是，其可堆疊、可擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)設(shè)計支持集成數(shù)千個發(fā)電單元，顯著提升單位體積功率密度，為大功率微風(fēng)發(fā)電規(guī)模化應(yīng)用提可行路徑。

2.2 振動能收集

TENG憑借其獨(dú)特的電荷快速飽和特性，能夠高效捕獲微米級振動能量。

Jiang等受蜘蛛網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)啟發(fā)，設(shè)計了一種網(wǎng)狀TENG，用于微米級振動的采集。該器件核心由氨綸彈性纖維編織的蜘蛛網(wǎng)狀彈性元件、銅電極及聚四氟乙烯（PTFE）薄膜構(gòu)成。Cheng等報道了一種基于TENG的自供電管道泄漏檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成懸臂梁振動式TENG、能量存儲釋放管理模塊和無線傳輸模塊。當(dāng)管道發(fā)生泄漏時，泄漏點(diǎn)激發(fā)的振動會在不同位置的裝置中引發(fā)差異化的振動響應(yīng)，系統(tǒng)通過采集這些微幅振動能量驅(qū)動無線模塊發(fā)射特征信號，最終實(shí)現(xiàn)泄漏點(diǎn)的精準(zhǔn)定位（圖5（b））。

2.3 雨滴能采集

TENG憑借其靈活的結(jié)構(gòu)設(shè)計與電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制，為雨滴能的高效轉(zhuǎn)化提供了創(chuàng)新解決方案。

Chen等提出了一種由液滴驅(qū)動的雙模TENG,由固液TENG和接觸分離TENG組成。多個雨滴同時落下時，不僅會觸發(fā)固液TENG工作，累積的液滴還會使柔性材料變形，從而觸發(fā)接觸分離TENG振動以收集機(jī)械能。這種集成設(shè)計可以在自然降雨事件中最大化利用雨滴動能，優(yōu)化了能量收集效率。通過模擬降雨條件，器件不僅成功為計算器、溫濕度計等便攜設(shè)備提供動力，還可以檢測降水強(qiáng)度、頻率和pH值（圖5（c））。Wang等通過“Plateau?Rayleigh不穩(wěn)定性”原理設(shè)計了一種基于液體噴射的TENG。該裝置將低頻水流轉(zhuǎn)化成高頻液滴序列，顯著提升了電荷轉(zhuǎn)移效率。結(jié)合虹吸原理構(gòu)建的液位感知模塊，實(shí)現(xiàn)對容器水位的實(shí)時監(jiān)測與低液位預(yù)警，拓展了雨滴能在工業(yè)流體監(jiān)測中的應(yīng)用場景。Bao等通過調(diào)控精確液滴與電極接觸分離的時間，設(shè)計了一種直流輸出的液滴TENG。其直流輸出特性省去了整流電路，直接適配低功耗電子器件供電需求，有效降低了自供電系統(tǒng)的復(fù)雜度與成本，為微型傳感器節(jié)點(diǎn)與自驅(qū)動系統(tǒng)等提供了更簡潔高效的雨滴能利用方案。

2.4 生物體機(jī)械能收集

TENG憑借低頻適配、柔性可貼合及微型化潛力，為生物機(jī)械能向電能的高效轉(zhuǎn)化提供關(guān)鍵技術(shù)突破口。

Mao等受DNA螺旋結(jié)構(gòu)啟發(fā)，設(shè)計一種多層螺旋剪紙結(jié)構(gòu)TENG，可將人體步行等機(jī)械運(yùn)動直接轉(zhuǎn)化為電能，為發(fā)展自供電、可穿戴的智能鞋墊提供切實(shí)可行的技術(shù)路徑（圖5（d））。Liu等報道一種基于TENG的可穿戴、無電池且無線微針生物電子裝置，以仿生結(jié)構(gòu)集成TENG和微針技術(shù)，為發(fā)展一體化、自供電的智能慢性傷口管理平臺奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。Kaur等設(shè)計一種集成于起搏器導(dǎo)線的螺旋纏繞式柔性TENG，可將心臟搏動導(dǎo)致的導(dǎo)線形變直接轉(zhuǎn)換為電能，為發(fā)展微創(chuàng)、長效、自供電的心臟起搏技術(shù)提供切實(shí)可行的解決方案。

圖5 TENG用于收集微納能源

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自驅(qū)動傳感與智能感知

TENG 技術(shù)正通過與人工智能、微納加工、先進(jìn)材料等領(lǐng)域的深度交叉，從單一的能源供給單元演變?yōu)榧兄⒐┠堋⑼ㄐ庞谝惑w的智能終端。

3.1 材料優(yōu)化與創(chuàng)新

摩擦電傳感技術(shù)的性能躍升正從單一靈敏度追求向高靈敏與寬量程兼具的方向轉(zhuǎn)型，這一突破的核心源于傳感材料的創(chuàng)新升級。新型功能材料與復(fù)合改性技術(shù)為性能優(yōu)化提供關(guān)鍵支撐，使傳感器在精準(zhǔn)感知微弱信號的同時，能夠適配更廣闊的壓力區(qū)間。

Hao等通過在聚合物基體中摻雜稀土氧化物，改善電荷捕獲、介電性能和界面極化效應(yīng)，從而提高能量轉(zhuǎn)換效率，在尺神經(jīng)損傷引起肌肉萎縮的評估和康復(fù)應(yīng)用中表現(xiàn)出優(yōu)異穩(wěn)定性。Wang 等提出晶界工程策略，其核心機(jī)制在于晶區(qū)與非晶區(qū)形成的雙電荷層可顯著強(qiáng)化電荷捕獲與存儲能力，為生物基摩擦電材料的性能突破提供新路徑。Chong等采用鐵磁流體作為摩擦層，結(jié)合底部磁鐵的協(xié)同調(diào)控，實(shí)現(xiàn)靈敏度與量程的可控性調(diào)整，通過界面調(diào)控解決高靈敏與寬量程的固有矛盾，為多場景適配奠定材料基礎(chǔ)。

當(dāng)材料設(shè)計與結(jié)構(gòu)優(yōu)化深度融合時，摩擦電傳感器的性能邊界不斷被突破，推動其從實(shí)驗(yàn)階段走向多領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用。

Gao等通過梯度凝膠材料設(shè)計，將分層式表面結(jié)構(gòu)與梯度介質(zhì)層復(fù)合，構(gòu)建“感知—緩沖”一體化結(jié)構(gòu)，成功應(yīng)用于醫(yī)療健康領(lǐng)域的穩(wěn)定脈搏監(jiān)測。Zhang等提出不對稱的多級微錐結(jié)構(gòu)，既實(shí)現(xiàn)靈敏度與量程的協(xié)同優(yōu)化，又提升了材料的檢測下限與環(huán)境適應(yīng)性。這些研究共同揭示，摩擦電傳感材料的創(chuàng)新正朝著“高靈敏兼顧寬量程”的方向發(fā)展，核心突破集中在功能材料的精準(zhǔn)設(shè)計、復(fù)合體系的協(xié)同調(diào)控，為傳感技術(shù)的多領(lǐng)域普及提供關(guān)鍵支撐。

3.2 器件與系統(tǒng)的集成

摩擦電傳感技術(shù)的迭代升級正推動器件從單一信號采集功能向多功能集成的智能終端轉(zhuǎn)型，核心動力源于器件設(shè)計與系統(tǒng)架構(gòu)的深度融合。

Zhou等將摩擦電傳感單元與紅外傳感單元、藍(lán)牙傳輸模塊集成，成功實(shí)現(xiàn)對座位壓力的智能識別。Xie等構(gòu)建眨眼與心率信號雙模感知體系，有效提升疲勞駕駛狀態(tài)的識別精準(zhǔn)度。這些研究“硬件集成+算法嵌入”的一體化思路，為未來更復(fù)雜的任務(wù)場景提供堅實(shí)基礎(chǔ)。

系統(tǒng)級協(xié)同優(yōu)化與跨領(lǐng)域技術(shù)融合進(jìn)一步拓展智能終端應(yīng)用邊界，讓摩擦電器件從單一場景適配邁向全場景兼容。

Tao等將摩擦電傳感系統(tǒng)與深度學(xué)習(xí)結(jié)合，提供實(shí)時健身監(jiān)測和即時反饋，以促進(jìn)用戶姿勢的持續(xù)調(diào)整。Lei等開發(fā)基于摩擦電觸覺傳感器與有機(jī)突觸晶體管的觸覺近傳感計算單元，改性后明膠介質(zhì)提升環(huán)境穩(wěn)定性，可高效識別單雙擊、長按等人機(jī)交互動作，避免誤觸發(fā)。

3.3 自驅(qū)動傳感的應(yīng)用場景

隨著性能提升，TENG自驅(qū)動傳感的應(yīng)用邊界在2025年被大幅拓寬，已不再局限于可穿戴健康監(jiān)測的單一場景，而是沿著“單一可穿戴測試—紋理識別—非接觸感知”的技術(shù)路徑，逐步拓展為跨領(lǐng)域、多維度的智能感知能力。在生物信號感知領(lǐng)域，可穿戴傳感作為典型應(yīng)用，依托高靈敏摩擦電傳感材料實(shí)現(xiàn)人體脈搏、肢體運(yùn)動等微弱生理信號的穩(wěn)定采集，為健康監(jiān)測提供核心技術(shù)支撐，其核心優(yōu)勢在于無需額外供電即可實(shí)現(xiàn)動態(tài)信號的實(shí)時捕捉（圖6（a））。

Hong等進(jìn)一步優(yōu)化傳感結(jié)構(gòu)，開發(fā)出兼具慢適應(yīng)與快適應(yīng)特性的人工突觸機(jī)械感受器陣列（圖6（b）），拓展了其在智能檢測、人機(jī)交互等領(lǐng)域的應(yīng)用場景。Li等構(gòu)建接觸?非接觸雙功能傳感系統(tǒng)（圖6（c）），徹底突破了傳統(tǒng)傳感器對物理接觸的依賴限制，將摩擦電傳感技術(shù)推向非接觸感知的新維度。

圖6 摩擦電壓力傳感器的應(yīng)用場景

總體而言，基于TENG的自驅(qū)動傳感正實(shí)現(xiàn)從生物信號感知向多場景物質(zhì)識別與非接觸交互的關(guān)鍵轉(zhuǎn)型，為跨領(lǐng)域智能感知提供了全新技術(shù)路徑，彰顯了摩擦電傳感的廣闊應(yīng)用潛力。

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藍(lán)色能源

海洋蘊(yùn)藏的波浪能、潮汐能、海流能等“藍(lán)色能源”具有能量密度高、可持續(xù)性強(qiáng)、時空分布廣等特征。TENG可利用微弱的機(jī)械振動、波浪起伏或流場擾動實(shí)現(xiàn)機(jī)電轉(zhuǎn)換，具有結(jié)構(gòu)簡單、材料多樣、環(huán)境適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)。

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

TENG的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新是提升其輸出性能與環(huán)境適應(yīng)力的重要路徑。Feng等設(shè)計了一種可有效利用低頻波浪能量的脈沖拱形雙層直流TENG（圖7（a）），通過拱形結(jié)構(gòu)設(shè)計為系統(tǒng)減少了工作阻力。Yang等提出了一種基于鐘擺力學(xué)的新型擺臂TENG，將波浪多向、不規(guī)則晃動轉(zhuǎn)化為擺臂相對穩(wěn)定的單擺運(yùn)動，增強(qiáng)其在真實(shí)海洋環(huán)境中的魯棒性和穩(wěn)定性。Zhang等開發(fā)設(shè)計了一種無葉片式TENG（圖7（b）），實(shí)現(xiàn)低流速下啟動，為利用中國海域廣泛存在的低速海流能提供了新思路。Sun等則設(shè)計了一種仿海帶結(jié)構(gòu)式TENG，為波浪能利用提供了種新穎的仿生學(xué)思路。

轉(zhuǎn)盤式TENG利用浮體的俯仰、升沉或扭轉(zhuǎn)運(yùn)動驅(qū)動電極滑動，從而提升單位時間接觸次數(shù)與輸出電流。Tuo等設(shè)計了一種基于幾何推力放大器的TENG，通過引入幾何增益原理提高了全譜波浪能量的轉(zhuǎn)換效率。Li等采用行星齒輪作為頻率提升機(jī)構(gòu)，構(gòu)建了一種機(jī)械倍頻TENG（圖7（c）），從而有效提升對波浪能的利用能力。

液固式TENG利用液體與固體界面之間的周期性接觸–分離實(shí)現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移，具有無機(jī)械磨損、耐腐蝕和穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。Huang等研制了一種管基耦合電極對液?固摩擦電納米發(fā)電機(jī)，擴(kuò)大了固體和液體材料之間的界面接觸面積，從而顯著增強(qiáng)了單次接觸分離過程中的電荷轉(zhuǎn)移量和最終輸出。Wang等則研制了一種液?膜TENG，提高了固?液納米發(fā)電機(jī)在低頻激勵下的性能，其產(chǎn)生的電能可以用于陰極保護(hù)，加強(qiáng)對于海洋結(jié)構(gòu)物中金屬的腐蝕保護(hù)。

針對波浪能來向的隨機(jī)性、多變性，其方向適應(yīng)性問題受到更多研究者的重視。Kumbhakar等提出了一種輕量化和可擴(kuò)展發(fā)電構(gòu)型，能夠捕獲不同頻率、振幅和方向運(yùn)動的波浪能。Chen等研制了一種面向全向波浪能利用的擺動結(jié)構(gòu)折紙式TENG，可在有限空間內(nèi)提升能量密度，并分散沖擊載荷、降低機(jī)械磨損。Dai等設(shè)計了一種振蕩浮子型TENG（圖7（d）），更好地捕獲多向的海浪能量。Xi等將以滾動式TENG供電的小型浮標(biāo)陣列應(yīng)用于近海環(huán)境參數(shù)監(jiān)測，展示了波浪能自供電的分布式感知作為未來海洋物聯(lián)網(wǎng)解決方案的巨大潛力。

圖7 藍(lán)色能源TENG結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)展

4.2 材料優(yōu)化及智能控制

材料優(yōu)化是提升TENG裝置輸出性能的重要方面。TENG的能量輸出與材料表面摩擦電荷密度密切相關(guān)，而表面化學(xué)組成、微納結(jié)構(gòu)形貌以及界面潤濕性對電荷轉(zhuǎn)移效率起關(guān)鍵作用。

Lee等用親水性和疏水性官能團(tuán)修飾了從海洋植物中提取的球等鞭金藻粒子納米材料。隨后以靜電紡絲法將該功能化材料與聚合物復(fù)合，制備成連續(xù)的納米纖維膜。用這些納米纖維膜作為摩擦層制成的TENG 裝置，在藍(lán)色能量收集應(yīng)用中性能顯著增強(qiáng)。Wang等采用難碳化的雙向拉伸聚丙烯薄膜和易蒸發(fā)的背電極制備了具有高抗擊穿性能的自恢復(fù)型TENG。該工作是高性能TENG在抗擊穿方面的重要進(jìn)展，使其能夠長時間、穩(wěn)定地利用藍(lán)色能源。

基于仿真和基于數(shù)據(jù)的智能控制研究也變得至關(guān)重要。Su等設(shè)計了一種新型圓柱形顆粒基TENG，結(jié)合流體動力學(xué)模擬優(yōu)化浮體設(shè)計。采用ANSYS AQWA軟件對浮體模型進(jìn)行流體力學(xué)分析，驗(yàn)證了其運(yùn)動穩(wěn)定性。Li等提出了針對變波方向的定向調(diào)整策略并設(shè)計了一種蝴蝶堆疊式TENG。確保其上的所有的新型蝶形堆疊TENG器件以最佳迎浪方向高效運(yùn)行。Mao等提出了一種自供電的人工智能增強(qiáng)監(jiān)測系統(tǒng)（SAMS），該工作為復(fù)雜海洋環(huán)境下的實(shí)時能量收集與狀態(tài)監(jiān)測提供了新的解決方案。

未來，隨著TENG結(jié)構(gòu)、材料與控制創(chuàng)新的不斷推動，其有望成為分布式、自供電的海洋物聯(lián)網(wǎng)和可持續(xù)藍(lán)色能源系統(tǒng)的重要技術(shù)。

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智能可穿戴

TENG不僅能高效地將人體運(yùn)動機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，其多功能性更是關(guān)鍵優(yōu)勢，可與電池、電容器、傳感器等設(shè)備集成，為自供電智能系統(tǒng)提供了可能。

5.1 可穿戴 TENG的核心材料創(chuàng)新

在摩擦層材料設(shè)計中，多功能復(fù)合材料成為主流。Shi等提出織物基集成TENG采用水性聚氨酯（WPU）作為防水封裝層和摩擦層，聚吡咯（PPy）作為導(dǎo)電摩擦層，結(jié)合3D機(jī)織織物結(jié)構(gòu)，提升弱信號檢測靈敏度。

阻燃材料的引入拓展了可穿戴TENG的應(yīng)用場景，Panda等綜述了聚合物、生物材料、氣凝膠等阻燃體系，為高溫或易燃環(huán)境下的可穿戴應(yīng)用提供安全保障。

由于TENG的自供電可穿戴傳感器代表了這一趨勢的創(chuàng)新解決方案，但柔性TENG的輸出性能仍然不理想。Jia等制備了條帶匹配的鈦酸鈣（CaTiO3）和氧化鋅（ZnO）納米結(jié)構(gòu)，TENG的輸出電壓和電流密度都得到了顯著提高，作為可穿戴傳感器，并實(shí)現(xiàn)自供電的人體傳感，特別是在步態(tài)識別中，用于預(yù)防運(yùn)動相關(guān)疾病和損傷康復(fù)。

Zhao等利用可逆分子間作用力與動態(tài)共價鍵設(shè)計，制備了可完全回收的多功能智能水凝膠傳感器（RMSHS），實(shí)現(xiàn)了其在智能醫(yī)療康復(fù)訓(xùn)練（如手勢識別與遠(yuǎn)程診斷）、實(shí)時遠(yuǎn)程人機(jī)交互（如無人機(jī)操控），以及作為綠色電極材料構(gòu)建可持續(xù)TENG等方面的多功能應(yīng)用。Niranjana等報告了一種具有催化劑擴(kuò)散效應(yīng)的導(dǎo)電液態(tài)金屬?硅膠（LMS）油墨，并結(jié)合嵌入式3D打印工藝，實(shí)現(xiàn)了“一步制造”和“一體化集成”，它為實(shí)現(xiàn)可拉伸導(dǎo)體、高性能柔性傳感器，以及與感知能力一體化的智能軟體機(jī)器人的簡易、快速制備，提供一條全新的技術(shù)途徑。

5.2 可穿戴TENG的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

無間隔紗線3D?X形織物、中空錠花式加捻技術(shù)制備的3D蜂窩結(jié)構(gòu)織物等創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步優(yōu)化了TENG的透氣性和力學(xué)穩(wěn)定性（圖8（a））。

TENG作為一種能量輸出裝置，極大促進(jìn)了可穿戴電子技術(shù)的應(yīng)用，特別是在能量收集和人體運(yùn)動監(jiān)測方面。Qiu等提供了一種聚四氟乙烯（PTFE）納米纖維紗線為基礎(chǔ)的TENGs。制備的納米纖維紗線具有核殼結(jié)構(gòu)，聚四氟乙烯/石墨烯納米纖維形成摩擦殼層，銅線作為導(dǎo)電芯層。當(dāng)石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到2%時，得到的機(jī)織物（GW?TENG?2）綜合性能最佳（圖8（b））。

Chen等利用摩擦納米發(fā)電自供電技術(shù)，巧妙利用高速螺旋編織技術(shù)的仿生雙螺旋結(jié)構(gòu)，制備了超拉伸能量收集紗線（DHBY?TENG），呈現(xiàn)了該紗線作為自供電傳感器監(jiān)測人體康復(fù)訓(xùn)練動作、嬰兒活動，以及作為自供電燈繩控制開關(guān)等，同時可將紗線編織入織物中實(shí)現(xiàn)機(jī)械能收集并點(diǎn)亮多個LED燈（圖8）。該研究巧妙利用成熟的高速編織技術(shù)，使“結(jié)構(gòu)本身”產(chǎn)生了超彈性和自接觸發(fā)電能力。

圖8 織物基TENG的制備

5.3 可穿戴TENG的應(yīng)用

生理信號監(jiān)測是可穿戴TENG最成熟的應(yīng)用領(lǐng)域。Wang等制備了一種基于熱塑性聚氨酯（TPU）和碳化木氣凝膠（CWA）的多功能導(dǎo)電氣凝膠。導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)使電荷能夠分散在整個材料中，便于電荷轉(zhuǎn)移，從而提高了輸出性能。

由于在TENG中實(shí)現(xiàn)超高電流密度和耐水性仍然具有挑戰(zhàn)性，Sun等提出連接摩擦電材料的電子云勢阱（ECPWs）可以導(dǎo)致輸出電流的大幅增加。這項(xiàng)工作為制造具有超高輸出電流和水阻的TENG提供了一種新穎而有前途的策略，極大地擴(kuò)展了其在許多領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。

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接觸電致催化（CEC）

2025年以來，研究者通過對CEC反應(yīng)機(jī)制的不斷深入認(rèn)識、催化劑結(jié)構(gòu)與材料體系的優(yōu)化以及CEC的應(yīng)用拓展，展示了CEC在催化領(lǐng)域的作用和潛力。

6.1 CEC反應(yīng)機(jī)制的認(rèn)識深化

接觸起電（CE）作為自然界無處不在的物理現(xiàn)象，其深層機(jī)制正被科研界持續(xù)破解。2025年CEC的反應(yīng)機(jī)制得到進(jìn)一步的深入研究。

• 一是對引發(fā)CEC過程中涉及的活化電子進(jìn)行了定量分析，深入了解了CE向CEC的轉(zhuǎn)變過程；

• 二是系統(tǒng)地證明了CEC中的氧化還原選擇性受反應(yīng)物標(biāo)準(zhǔn)電極電位（SEP）的控制，存在一個清晰的閾值區(qū)分氧化和還原途徑。

6.2 催化劑結(jié)構(gòu)與材料體系的優(yōu)化

從材料演進(jìn)看，2025年的CEC已從通用含氟聚合物（如聚四氟乙烯（PTFE）、全氟乙烯?丙烯共聚物（FEP））轉(zhuǎn)向可按應(yīng)用定制的結(jié)構(gòu)與表面化學(xué)，實(shí)現(xiàn)由“通用型”向“應(yīng)用場景化”的跨越。在具體策略上，圍繞“起電與跨界面電子轉(zhuǎn)移”這一主線，TENG的可遷移思路尤為有效：FDTES修飾SiO2能在水相構(gòu)建高電荷密度界面、顯著提升能量收集，用于CEC可使甲基橙降解的表觀速率常數(shù)較未修飾Si提升約29倍（圖9（a））。除表面化學(xué)調(diào)控外，PTFE/FEP駐極充電已被證明可加速水–聚合物界面電子注入與·OH生成。另一方面，半導(dǎo)體–液體因功函數(shù)/能帶差形成類肖特基結(jié)；在機(jī)械擾動下，硅–水界面的動態(tài)勢壘可驅(qū)動周期性電荷轉(zhuǎn)移，觸發(fā)并放大界面催化反應(yīng)。

6.3 CEC應(yīng)用拓展與多場協(xié)同策略

在化學(xué)合成方面，界面電場與活性氧途徑支撐了雙氧水綠色合成和氣體小分子轉(zhuǎn)化等低能耗策略；在環(huán)境與資源方面，CEC通過界面電子轉(zhuǎn)移與ROS作用實(shí)現(xiàn)貴金屬高效回收、抗生素深度降解與無化學(xué)劑的細(xì)菌滅活；在生物醫(yī)學(xué)方面，CEC療法被提出并不斷發(fā)展（圖9（b））。

圖9 2025年CEC的催化劑發(fā)展和應(yīng)用拓展

2025年，CEC的多場協(xié)同策略開始被重點(diǎn)研究，通過整合接觸電與其他能量場的優(yōu)勢，顯著提升催化效率與反應(yīng)適用性。激發(fā)方式已由單一超聲擴(kuò)展至球磨、攪拌及多模式并行，大幅拓寬適用邊界。多場協(xié)同通過放大活性物種生成、強(qiáng)化電荷分離與質(zhì)/能傳遞顯著增效。

總體來看，CEC正在“機(jī)理、材料、應(yīng)用和多場協(xié)同”四維度耦合推進(jìn)。然而仍有3類關(guān)鍵問題有待解決：

• 一是基礎(chǔ)層面對動態(tài)條件（如聲空化）下的原位界面過程認(rèn)知不足，需依托原位表征厘清反應(yīng)本質(zhì)；

• 二是設(shè)計層面現(xiàn)有催化劑選擇性仍弱，亟需面向目標(biāo)產(chǎn)物的精準(zhǔn)結(jié)構(gòu)定制；

• 三是應(yīng)用層面應(yīng)由“二元耦合”邁向“多元耦合”和“場景適配優(yōu)化”。

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工程應(yīng)用

2025年TENG在工程應(yīng)用領(lǐng)域取得了顯著成效，在多個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用示范。

1）在海洋藍(lán)色能源應(yīng)用方向，浮標(biāo)型TENG項(xiàng)目在功率性能方面實(shí)現(xiàn)跨越式提升。2025年王中林院士團(tuán)隊(duì)持續(xù)推進(jìn)技術(shù)攻關(guān)，成功研制并完成世界首臺最大單體TENG（1 m3）的海上測試。

2）在環(huán)保領(lǐng)域，CEC技術(shù)助力鋰電池電極材料回收。這可用于工業(yè)化回收各類鋰離子電池正極材料，為儲能材料的回收再生提供新的方法。

3）在低空飛行傳感領(lǐng)域，基于TENG技術(shù)的智能流體力學(xué)能量收集技術(shù)實(shí)現(xiàn)飛行器實(shí)飛驗(yàn)證。開發(fā)了前端自驅(qū)動航空器表面流態(tài)原位感知系統(tǒng)，創(chuàng)新耦合TENG與壓電發(fā)電機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)原位自驅(qū)動感知飛行器表面湍流流態(tài)。

4）在管道流體自驅(qū)動監(jiān)測領(lǐng)域，系列自驅(qū)動智能水表在自來水公司開展示范應(yīng)用。利用TENG俘獲管道流體能量實(shí)現(xiàn)自供電，并利用TENG傳感特性對流體流量進(jìn)行計量，最終實(shí)現(xiàn)了對管道流體的自供電智能監(jiān)測。基于本項(xiàng)目研制的系列產(chǎn)品，可從根本上解決智慧水務(wù)系統(tǒng)中“最后關(guān)鍵環(huán)節(jié)”——傳感器穩(wěn)定供電問題，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)傳感，保障數(shù)據(jù)底座的堅實(shí)性，讓智慧水務(wù)真正“智慧”。

5）在智能電網(wǎng)傳感領(lǐng)域，自驅(qū)動電力智能傳感器實(shí)現(xiàn)掛網(wǎng)應(yīng)用。面向輸電線路風(fēng)致振動寬頻、低幅、無序等特點(diǎn)，利用TENG高效收集輸電線路風(fēng)致振動產(chǎn)生的能量并轉(zhuǎn)化為電能，構(gòu)建輸電線路分布式自驅(qū)動電力智能傳感系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對架空輸電線路如溫度、振動、舞動、覆冰等狀態(tài)參數(shù)的無源在線智能運(yùn)檢。該項(xiàng)成果可有效降低輸電線路傳感終端的建設(shè)和維護(hù)成本，大規(guī)模應(yīng)用對智能電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展具有重要的科學(xué)意義和工程價值。

8

結(jié)論

我們系統(tǒng)回顧了2025年TENG技術(shù)的前沿發(fā)展，著重聚焦于TENG的性能優(yōu)化以及TENG在微納能源、自驅(qū)動傳感、藍(lán)色能源、可穿戴電子和CEC等領(lǐng)域關(guān)鍵方向。相關(guān)研究在多個方面取得了突破性進(jìn)展，有效提升了TENG的電性能與穩(wěn)定性，并在海洋藍(lán)色能源、環(huán)保領(lǐng)域、低空飛行傳感領(lǐng)域、管道流體自驅(qū)動監(jiān)測領(lǐng)域和智能電網(wǎng)傳感領(lǐng)域進(jìn)行了應(yīng)用示范。然而，TENG在得到大規(guī)模應(yīng)用之前，仍有幾個關(guān)鍵問題需要解決：

• 首先是TENG的性能需要進(jìn)一步提升，特別是TENG的能量轉(zhuǎn)換效率與壽命，以實(shí)現(xiàn)通過TENG收集環(huán)境的能量完全滿足自驅(qū)動系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行，這需要結(jié)合材料創(chuàng)新與器件設(shè)計來共同完成；

• 其次是TENG批量制備技術(shù)需要突破，以滿足規(guī)模化應(yīng)用的需求；

• 最后是標(biāo)準(zhǔn)的制定，TENG從實(shí)驗(yàn)室走向市場的過程中，建立TENG的標(biāo)準(zhǔn)化評估體系尤為重要。

伴隨著TENG技術(shù)在各個方面的持續(xù)推進(jìn)，TENG技術(shù)必將邁向一個嶄新的臺階，2025年的研究成果為TENG的規(guī)模化應(yīng)用于跨領(lǐng)域拓展奠定了堅實(shí)的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

本文作者：王杰、奚伊、郭恒宇、文震、徐敏義、陳超余、范鳳茹、程廷海、翟俊宜、王中林

作者簡介：王杰，中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所，研究員，研究方向?yàn)槟Σ良{米發(fā)電機(jī)的性能優(yōu)化與應(yīng)用；王中林（通信作者），中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所，研究員，中國科學(xué)院外籍院士，研究方向?yàn)槟Σ良{米發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)理論與壓電（光）電子學(xué)。

文章來 源 ： 王杰, 奚伊, 郭恒宇, 等. 2025年摩擦納米發(fā)電機(jī)熱點(diǎn)回眸[J]. 科技導(dǎo)報, 2026, 44(1): 43?60 .

本文有刪改，

王中林院士團(tuán)隊(duì)著作專題

（本文編輯：劉四旦）

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