近年来，越来越多的研究致力于将环境能源转化为电能以缓解日益严重的能源危机和环境问题。作为一种获取清洁和可持续能源的新方法，液基摩擦纳米发电机（L-TENG）逐渐引起人们的关注。基于固液接触带电和静电感应原理，各种不同的L-TENG材料和器件已成功开发并应用于多个领域，包括雨滴能量收集、自供电智能温室等。当前大多数L-TENG是开放式的，容易受到污染。相比之下，封闭的管状L-TENG（TL-TENG）表现出良好的耐用性，并且不需要液体的持续供应。然而，提高TL-TENG的电荷和功率密度仍然是一个挑战。
清华大学摩擦学国家重点实验室李津津副教授等人通过分子自组装策略，开发了一种基于氟烷基改性二氧化硅（FDTES-SiO2）的新型TL-TENG，具有优异的电输出性能，输出电压101.5 V，峰值功率密度43.0mW m-2，表面电荷密度500.3 μC m-2。此外，其电输出还可以通过改变介电层的厚度、液体的类型和振荡频率进行调控。该可穿戴TL-TENG可以有效地收集身体运动能量并为照明设备供电，在野外能量收集和自供电可穿戴设备领域具有巨大潜力。该研究以题为“Liquid-basednanogenerator fabricated by a self-assembled fluoroalkyl monolayer with highcharge density for energy harvesting”的论文发表在《Matter》上。
作者首先对SiO2表面进行氟化处理，将具有热生长SiO2层（0-2μm）的硅晶片浸入1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷（FDTES）与无水异辛烷的混合液中进行自组装，得到FDTES-SiO2。介电SiO2层的引入可增强接触带电和静电感应之间的耦合效应，将其作为摩擦起电层表现出出色的电负性。TL-TENG器件由石英玻璃管、两个FDTES-SiO2层和背面电极组成，并将不同的水基溶液作为另一种摩擦起电材料注入密封的圆柱形容器中。当液体与固体接触时，可在固液界面形成双电层，电子转移在液体-氟化固体界面双电层的形成中起主导作用。TL-TENG可以通过使用频率和旋转角度可控的无刷电机实现往复机械振荡，而FDTES单分子层的疏水性可以显著降低其表面的水附着力，并确保固液界面的有效接触分离过程，从而有利于电输出。
FDTES-SiO2基TL-TENG的输出电压和电流的最大值可以分别达到101.5V和6.08μA，分别是原始SiO2的158倍和212倍，可见在SiO2表面形成的自组装单分子层增强了TL-TENG的电输出。相应表面电荷密度可达到500.3μC m-2，远高于其他L-TENG。作者还研究了介电层的厚度、液体类型和振荡频率对其电输出的影响。适当厚度的介电SiO2层可以完全抑制漏电流，因此通过加厚电容器的介电SiO2层可以直接提高输出电压。由于离子的增强屏蔽作用会降低有效表面电荷密度，因此在水中引入离子会降低电输出而中性液体更适合发电。过快的振荡频率会打破水的规律振荡，导致电压和电流的急剧下降，因此TL-TENG适合于采集低频机械能，如波浪能和体动能。在连续运行约5.12×105个循环后，输出电流仍保持大于6.0μA的稳定输出，表明该TL-TENG具有良好的耐用性和可靠性，可用于实际应用。
FDTES-SiO2基TL-TENG在5MΩ负载电阻下的瞬时峰值功率密度可达43.0mW m-2，远大于之前报道的同类型TL-TENG。此外，单个TL-TENG可以轻松地为由45个商用LED组成的“SKLT”灯牌供电（视频1）。为了进一步展示TL-TENG的应用，作者通过并联小型TL-TENG来扩大输出电流。结果表明，通过并联TL-TENG单元，输出电流可以线性倍增，这证实了FDTES-SiO2基TL-TENG在可穿戴设备领域的应用。于是作者展示了一个基于FDTES-SiO2的TL-TENG腕带，由九个小单元TL-TENG构成，可在夜间为自制的前照灯供电。该装置可穿戴在手臂上并收集手臂摆动的能量，一次正常的手臂摆动可以产生约50V的电压，约2.5μA的电流和约250nC的转移电荷，显示出强大的荒野环境中的能量收集能力。
总结：作者通过分子自组装制备了基于FDTES-SiO2的TL-TENG，以获取低频晃动能量，可产生101.5V的最大电压和6.08μA的最大电流。其表面电荷密度可达500.3μC m-2，峰值功率密度可达43.0 mW m-2，电输出性能远超同类型TL-TENGs。得益于其高峰值功率密度，该TL-TENG在生物力学能量收集和自供电可穿戴设备中具有潜在的应用价值。
