河南師范大學高書燕教授團：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：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　

基于摩擦納米發(fā)電機（TENG）構建的自驅動電化學系統(tǒng)在電化學領域不斷地有新突破，并且展現(xiàn)出巨大的應用前景。但隨著研究的不斷的深入，仍存在一些問題需要解決。尤其是復雜的TENG器件結構會增加其制造過程的繁瑣程度，費時費力。自驅動能量源在實際應用中隨著TENG器件的位置呈現(xiàn)分布式的特點，給大規(guī)模并網(wǎng)帶來困難或造成不必要的能量損失。

河南師范大學高書燕教授團隊引入了3D打印技術來解決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（PFM-TENG）與N摻雜多孔碳材料作為EF陰極催化劑進行深度結合，構建了一種新型自供電EF降解系統(tǒng)。該PFM-TENG具有簡單的多層結構，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基本結構和制作過程；(b) 自然狀態(tài)下組裝的PFM-TENG的實物圖； (c) 壓縮和輕微扭曲的狀態(tài)下的實物圖;(d) PFM-TENG工作機理示意圖 圖1 PFM-TENG的基本結構和制作過程

(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
這項工作通過N摻雜碳催化劑設計和3D打印摩擦電納米發(fā)電機的深度融合，實現(xiàn)了橙IV和結晶紫的高效降解，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，同時也提出了一種創(chuàng)新方案，以自驅動、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)，甚至其他電化學系統(tǒng)。

參考文獻：
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）