近日，北京化工大学张立群教授团队、中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林教授团队与玲珑轮胎合作，基于摩擦纳米发电机，结合白炭黑绿色轮胎的特性，制作了具有智能传感功能的绿色发电轮胎。

       利用摩擦纳米发电机，回收轮胎和地面摩擦产生的能量：白炭黑轮胎具有较大的静电，这一缺点在一定程度上限制了白炭黑轮胎的应用，然而摩擦纳米发电机却可以将这一负面效应转化为正面效应，利用这一特性，达到回收能量的目的，如果这一设想可以实现，由于轮胎浪费掉的能量又可以被回收回来一部分，这对未来的节能减排，缓解能源危机无疑是有着重大意义的。

       基于这一设想，由中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家王中林教授团队和北京化工大学张立群教授团队多次协商探讨确定这一方案具有较大的可行性和价值后共同牵头主导，携手国内轮胎巨头——山东玲珑轮胎股份有限公司，集合多方力量，历时数十个月，克服众多问题和困难，制备出了第一代的摩擦纳米发电绿色智能轮胎，其成果获得了由中国石油和化学工业部联合会科技部主办的全国高校新概念轮胎设计大赛的一等奖，获得了评委们的一致认可和好评。相关研究成果以“Triboelectric Nanogenerator Boosts Smart Green Tires”发表于国际顶级材料学期刊Advanced Functional Materials上。文章的第一作者是北京化工大学武文杰博士研究生，共同一作是中国科学院纳米能源与系统研究所曹霞教授。

       摩擦纳米发电机最早在2012年由王中林教授提出，主要原理包括静电感应效应和摩擦起电效应，如下图所示：

图1：摩擦纳米发电机的工作原理

       当橡胶材料（图中灰色部分）和铜（图中红色）接触时，由于两者对电子的吸引能力不同，在界面上会发生电荷的分离，铜表面的一部分电子流入到橡胶材料表面，使得橡胶材料带负电，铜带正电，然后铜板和橡胶开始分离，由于橡胶材料是绝缘的，因此表面的电荷会被固定下来，由于铜板和橡胶背后的铜板是连通的，二者电势必须相等，因此有一部分的正电荷会从橡胶右边的铜板中流向橡胶左边的铜板，如图中红色剪头所示，当右侧铜板运动到最大位移处停止，然后再次接近铜板，此时由于橡胶表面负电荷的吸引，正电荷重新流回到右侧铜板，直至接触后铜版中的正电荷和橡胶表面的负电荷相等，在这个过程中，电流流向发生了改变，因此摩擦纳米发电机得到的电流是交流电，而不是直流电。在这个过程中，机械作用力由于分离电荷，使得电荷的电势发生了变化，完成了机械能向电能的转化，这就是接触分离式摩擦发电机（图2-a）的基本原理。除了这种最基本的工作模式外，摩擦纳米发电机还有另外三种工作模式，分别是滑动模式（图2-b），单电极模式（图2-c），自由摩擦层模式（图2-d），如图2所示。

图2：摩擦纳米发电机的四种基本模式

       摩擦纳米发电机是一种新型的能源技术，相比较于传统的电磁发电机，摩擦纳米发电机具有使用范围广，工作效率高，体积轻便，容易制造等众多优点。因此摩擦纳米发电机在能量回收和新能源利用方面有较多的应用。同时，由于摩擦纳米发电机对环境的较为敏感，环境的变化很容易引起其输出电流的变化，因为摩擦发电机还总是被用于智能自驱动传感器。所谓的自驱动传感器是相对于普通的传感器而言的，我们知道普通的传感器，均包含电源装置，通过电源供应能量使其工作，而自驱动传感器指的是能够从工作环境中攫取能量，通过这部分能量来工作的传感器，这种传感器具有免维护，长期使用成本低等优势。在未来的物联网和人工智能时代，需要海量传感器的背景下，这种不需要更换电源或者充电维护的传感器，无疑是最佳的选择。

       在轮胎工业中，有一个困扰轮胎工业很久的问题就是轮胎的魔三角问题，由于橡胶材料的固有属性，使得轮胎在耐磨性，抗湿滑和滚动阻力三者之间很难兼顾。白炭黑材料作为新一代的橡胶纳米补强填料，相比炭黑材料在提高抗湿滑和降低滚阻方面都有一定的优势。这使得白炭黑轮胎在具有优秀节油性能的同时还可以兼顾其他的性能。但是白炭黑轮胎由于具有较强的静电，在实际使用中一直需要加入部分炭黑以通过轮胎电阻测试。这一独特的缺点在和摩擦发电机结合以后却变成了优点，可以用来回收部分被摩擦损耗掉的机械能。

       由于轮胎在工作过程中的运动状态和上文提到的四种基本模式都不相同，因此在发电轮胎中的摩擦纳米发电机需要结合轮胎的实际工作状况单独设计的。我们将导电层置于胎面层中间，使用轮胎胎面作为摩擦纳米发电机的摩擦层，将导电层内置于其中，这样在轮胎成型的步骤中可以使用和普通轮胎相同的工艺流程。发电轮胎的结构如图3所示。

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