咖啡渣，发了一篇AFM！广西大学鲁鹏课题组：基于废咖啡渣的全降解摩擦电纳米发电机问世

摘要：随着能源危机和环境污染问题日益严峻，开发可持续的绿色能源技术成为全球迫切需求。摩擦电纳米发电机（TENGs）作为一种新兴技术，凭借其材料兼容性广、成本低和能量转换效率高等优势，在分布式电源和自供电电子领域展现出巨大潜力。然而，当前高性能可生物降解负摩擦电材料的

随着能源危机和环境污染问题日益严峻，开发可持续的绿色能源技术成为全球迫切需求。摩擦电纳米发电机（TENGs）作为一种新兴技术，凭借其材料兼容性广、成本低和能量转换效率高等优势，在分布式电源和自供电电子领域展现出巨大潜力。然而，当前高性能可生物降解负摩擦电材料的稀缺，以及现有可降解TENG结构存在的摩擦层脆弱、环境适应性差等问题，严重制约了其实际应用。大多数所谓的“绿色”TENGs仍依赖不可降解的石油基聚合物，如聚四氟乙烯（PTFE），这些材料在设备废弃后会造成持久的环境负担。

近日，广西大学鲁鹏副教授课题组成功通过将废咖啡渣（SCG）与聚己内酯（PCL）共挤出，制备出全降解负摩擦电层材料（SCG-PCL）。当与可降解正摩擦电材料如导电聚乳酸（PLA-C）、纤维素、玉米蛋白和壳聚糖配对时，SCG-PCL的摩擦电荷密度达到相应PTFE组合的67%至127%。这一突破为替代PTFE和实现全生物降解TENG提供了可行策略。随后，SCG-PCL颗粒与3D打印导电PLA外壳集成，设计出全生物降解、全封闭的TENG（SP-TENG）。在等效成本下，SP-TENG的输出电压是PTFE颗粒基TENG的1.7倍，体积功率密度达12.28 mW·m⁻³，并具有出色的耐久性、可扩展性和降解性。此外，SP-TENG可应用于岛屿风能收集和复杂道路条件预警系统。相关论文以“A Fully Degradable and Enclosed Triboelectric Nanogenerator Based on Spent Coffee Grounds Triboelectric Material”为题，发表在Advanced Functional Materials 上。

研究首先展示了废咖啡渣的全球年产量巨大，且富含木质素、纤维素、脂质和蛋白质等成分，为高价值应用奠定了基础。尽管生物质摩擦电材料如纤维素、木质素等已被用于TENG，但现有研究多集中于正摩擦电材料，可生物降解负摩擦电层的研究仍显不足。当前许多“可生物降解TENGs”仍使用非降解聚合物如PTFE作为负层，这违背了全降解设备的初衷。SP-TENG的设计展望了广泛的应用前景，包括海洋波浪能收集、偏远地区风能转换、一次性医疗电子供电和军事无人机应急能源供应。

图1 a) 咖啡的生命周期及其主要化学成分。 b) 废咖啡渣的高价值利用策略。 c) 可生物降解TENGs的研究现状。 d) 全生物降解SP-TENG的应用前景。

为了评估SCG-PCL作为负摩擦电材料的性能，研究采用垂直接触-分离模式TENG进行测试。结果显示，SCG-PCL与可降解正材料配对时，输出性能显著高于纯PCL，且与PTFE相当。例如，与PLA-C薄膜配对时，SCG-PCL的电压、电流和转移电荷分别达到PTFE组的67%、51%和71%。表面电位分析表明，咖啡渣的加入增强了PCL的负电性，而表面粗糙度的增加促进了静电相互作用和电荷转移，从而提升了摩擦电性能。电荷密度比较显示，SCG-PCL在所有正材料配对中均优于PCL，并与PTFE具有可比性。

图2 a) 用于评估材料摩擦电性能的垂直接触-分离模式TENG结构，以及相应的正负摩擦电对。 b) 不同材料的摩擦电序列。 c) 与各种可生物降解材料配对的PCL、SCG-PCL和PTFE薄膜的输出电压。 d) 输出电流。 e) 转移电荷。 f) 电荷密度比较。

针对传统薄膜基TENG的耐久性差和环境抵抗力弱等问题，研究开发了SCG摩擦电颗粒，并通过3D打印外壳构建了全封闭SP-TENG。制备过程简单高效，可实现大规模标准化生产。SCG-PCL颗粒表面呈现多孔形态，FTIR和XPS分析证实了复合材料的成功形成，其中含氧极性官能团增强了电子接受能力。压缩测试表明，尽管SCG比例增加会降低机械强度，但在3:1比例下仍保持43.84 MPa的压缩强度，足以满足应用需求。SP-TENG的工作机制基于颗粒在壳体内的往复运动，通过静电感应产生交流电输出。

图3 a) SCG摩擦电颗粒的制备过程和SP-TENG的组装。 b) SCG-PCL摩擦电颗粒的照片。 c) SCG-PCL摩擦电颗粒表面的SEM图像。 d) PCL、SCG和SCG-PCL的FTIR光谱。 e) 不同SCG基组成的摩擦电材料的压缩性能。 f) (i) SP-TENG器件结构示意图；(ii) SP-TENG的工作机制说明。

研究进一步优化了SCG摩擦电颗粒的参数。当SCG与PCL质量比为3:1时，电气性能最佳，开放电路电压达4.6 V，短路电流73 nA，转移电荷1.3 nC。颗粒长度设置为8 mm（等于通道长度的一半）时，输出最高。振动频率的增加也提升了电气输出，在2.6 Hz时达到峰值。这些优化确保了SP-TENG在实际应用中的高效性能。

图4 a-c) 不同SCG与PCL比例的摩擦电颗粒器件的电压、电流和转移电荷。 d-f) 不同长度摩擦电颗粒器件的电压、电流和转移电荷。 g-i) 不同振动频率下的电压、电流和转移电荷。

在最佳条件下，SP-TENG表现出卓越的电性能。体积功率密度达12.28 mW·m⁻³，能够快速充电电容器，如在20秒内将10 µF电容器充电至2 V。耐久性测试显示，连续运行9400周期后输出稳定，长期存储6个月后电压仅衰减6%。与PTFE颗粒相比，SCG-PCL输出较低，但成本仅为其23%，且重量更轻，展现了其在经济性和可持续性方面的优势。四个SP-TENG单元并联时，输出电压、电流和转移电荷分别达15 V、262 nA和4.8 nC，显著优于PTFE基TENG。

图5 a) SP-TENG在不同外部负载电阻下的输出电流、电压和功率。 b) 电容器充电期间的电压曲线（插图：用于充电电容器的电路图）。 c) SP-TENG的循环耐久性测试。 d) SCG基摩擦电颗粒的长期存储稳定性。 e-g) SCG-PCL与PTFE颗粒的电输出比较：电压、电流和转移电荷。 h) SCG-PCL与PTFE颗粒的重量和成本比较。 i) 四个TENG单元串联和并联连接时的电输出差异。

SP-TENG在风能收集和道路警告中展示了实际应用价值。集成曲柄滑块机制的风能收集设备将风能转化为线性往复运动，驱动SP-TENG发电。随风速增加，输出电压、电流和转移电荷均显著提升，在11 m/s风速下，电压达30 V，电流105 nA。该设备成功供电给商用温湿度计和LED阵列，并可用于岛屿地区的分布式能源供应和道路安全预警，通过颗粒运动产生的声音提醒驾驶员注意复杂路况。

图6 a) 风能收集装置的结构。 b) 不同风速下装置的输出电压。 c) 输出电流。 d) 转移电荷。 e) SP-TENG供电的温湿度计电压曲线。 f) SP-TENG点亮串联LED阵列拼写的“TENG”。 g) SP-TENG在岛屿风能收集和复杂道路条件警告/照明中的应用。

这项研究成功开发了基于SCG-PCL复合颗粒的全封闭摩擦电纳米发电机，不仅实现了与传统PTFE相媲美的性能，还具备全生物降解特性。SP-TENG的自动化制造过程支持规模化生产，为废咖啡渣的高价值利用和绿色TENG设备的生产提供了创新途径。未来，这种设备在远程发电和自供电传感系统中具有广阔应用前景，将有力推动可持续能源技术的发展。