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液固界面电荷的高精度量化将推动液固界面物理化学机制进一步深入。如：沉积在固体表面的电荷将影响液体的润湿效果，对其量化将有助于研究液体在固体表面的润湿状态及运动规律。由电荷产生的静电力可以诱导带电颗粒在特定固体表面自组装，实现液固界面电荷的量化有助于在固体表面实现单一简单颗粒向复杂材料结构的有序组装。液固界面电荷所引起的本征静电场也会对化学反应产生影响，高精度量化电荷将有助于判断其对反应速率的影响规律。此外，液固界面电荷的高精度量化也将影响着造纸湿部、海水淡化、水收集、微流控技术等诸多领域的发展。 量化液固界面的电荷往往需要使用精密昂贵的仪器，这往往需要较长的测量时间和较高的研究门槛。幸运的是，单电极模式的液固摩擦纳米发电机可通过接触起电和静电感应的耦合效应直接获取液固界面电荷的转移量，并基于此可研究液固界面电荷转移的动态饱和过程。然而，通过电荷分离的方法获得液固界面电荷的差异化信息，实现液固界面双电层内不同极性电荷的有效量化仍然较难实现。 近日，聂双喜教授团队开发了一种液体与电极直接接触的液固摩擦纳米发电机（L-S
TENG）作为探针，用于量化液固界面处不同极性的电荷。通过为探针设计两个空间排布的电极（液体依次接触），成功分离了不同极性的电荷。在液体与电极电势差的驱动下，50
ms内量化了转移电荷。这项成果以题为《Triboelectric
charge-separable probes for quantificationally charge investigating at the
liquid-solid interface》发表在《Nano Energy》期刊上，2020级博士研究生罗斌为本研究的第一作者，聂双喜教授为通讯作者。 原文链接： https:///10.1016/j.nanoen.2023.108532
图1. L-S
TENG探针的器件结构及其运行机制。（a）探针器件结构与电荷分离的示意图。（b）基于“Wang”模型的液固界面电荷分布示意图。（c）可分离电荷的探针工作机制。（d）液体在固体滑动的高速相机记录结果。
图2. 单滴液体情况下，探针信号的探究与比较。(a)电子从水分子向PTFE分子转移的机理示意图。(b)探针信号产生时与液滴的相对位置示意图。（c-d）液体在两个电极间电荷转移与短路电流信号结果。（e）不同浓度液体分别在两个电极间转移的结果。（f-h）不同浓度液体的转移电荷、开路电压和短路电流结果。（i）不同浓度纳米流体的电导率。
图3. 探针的运行情况与液体的影响。（a-c）不同浓度液体在10s时间内，探针测量的转移电荷、开路电压和短路电流。（d）不同浓度纳米流体表观粘度与剪切速率的函数关系曲线。（e-f）纤维素的红外谱图与XPS光谱结果展示了其表面官能团构成。（g）纤维素悬浮液网络结构示意图和水/纤维界面的示意图。（i）探针的等效电路示意图。等效电路元件包括电容（C）、电阻（R）和开关（S），下角标1和2分别表示液体与电极1和电极2产生电荷转移的瞬间。Cp和CE1（2）分别为液固界面双电层的电容和顶部（底部）铜电极的电容，RL和R1（2）分别为外部负载电阻和液体接触电极1（2）时的自身电阻。
图4. 探针在不同操作参数下的信号。(a) 静电计记录转移电荷、开路电压和短路电流的工作图。(b-d) 不同高度、角度和流量下的转移电荷结果。(e-f) 不同高度的开路电压和短路电流。(g) 0.2%浓度下不同高度的短路电流。(h) 25厘米高度时单滴电流信号和电流流向示意图。(i-j) 不同角度的开路电压和短路电流。(k) 0.2%浓度下不同角度的短路电流。(l) 角度为30°时，单滴电流信号和电流流向示意图。(m-n)不同流量的开路电压和短路电流。(o) 0.01%浓度下不同流量的短路电流。(p) 液体流量为250 mL/min，液体与固体接触后相互作用的示意图。
图5. 探针应用。(a)液体能量收集装置的光学照片和探针应用前景的示意图。(b) 200秒内开路电压的累积。(c) 200秒内传输电荷的累积。(d) 传输电荷对液体运动的反馈。(e) 短路电流对液体运动的反馈。(f) 不同湿度条件下的短路电流。(g)集成设备应用的潜力 本研究基于液固摩擦纳米发电机成功开发了可将液固界面处不同极性的电荷分离并分别量化的探针工具。结果表明，纳米流体浓度的增加对液固界面电荷转移的存在抑制，液体运动状态（释放高度、固体与地面的夹角和液体流速）的改变对液固界面电荷转移影响较为显著，但是其变化的规律可以通过转移电荷和短路电流反映。基于探针对液体滑落的灵敏性和积累电压的功能，可将其用作液体运动状态的自驱动传感器和液体能量收集装置。这项工作加深了纳米流体与固体电荷转移现象的理解，并为材料、环境和催化等领域功能界面电荷转移相关的研究提供了一种新的便捷工具。 *感谢论文作者团队对本文的大力支持。 |
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