利用固体和液体之间的界面电荷转移效应可以实现能量转换，应用于水滴发电、蒸发发电等领域。近期程纲教授团队在这些领域取得了系列研究进展。相关研究成果发表在ACS Energy Letters, Advanced Science, Nano Energy, Small等著名期刊。

实现具有快速起电过程的高输出水滴摩擦电纳米发电机仍然面临挑战。我们提出了一种通过策略性表面分子修饰的方法，以提高水滴摩擦电纳米发电机的输出特性。通过对摩擦层表面分子进行修饰，我们成功降低了电子从水分子转移到聚合物分子的能垒，加速了电子转移过程，从而提高了起电速度。仅通过5滴水的撞击和接触，摩擦层的表面电势就可以达到其最终饱和表面电势的85%。此外，该方法有效增加了固-液接触位点，提升了摩擦层的饱和表面电势。最终制备的功能化水滴摩擦电纳米发电机展现出优异的输出特性。该研究成果以Elevating Outputs of Droplet Triboelectric Nanogenerator through Strategic Surface Molecular Engineering为题在国际学术期刊ACS Energy Letters上发表。河南大学材料学院研究生孟缓、张京京和朱蕊副教授为共同第一作者，崔鹏教授和程纲教授为共同通讯作者。

图1. FD-TENG的器件结构示意图和输出性能。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.4c00532

此外，我们提出了一种通过优化表面粗糙度来提高水滴摩擦电纳米发电机的输出功率和能量转换效率。该研究成果以Enhancing the Output of Liquid-Solid Triboelectric Nanogenerators through Surface Roughness Optimization为题在国际学术期刊ACS Applied Materials & Interfaces上发表。河南大学材料学院研究生周尊康、秦怀方博士为共同第一作者，崔鹏教授和程纲教授为共同通讯作者。

图2. 器件的性能和应用展示。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c16352

为了减小水滴在纳米发电机表面受到的黏滞力，通常采用超疏水摩擦层，通过牺牲水滴的接触面积来提高水滴的运动速度。我们创新性地提出，使用油凝胶材料作为摩擦层，将固液界面转化为水滴与油膜间的液液界面，降低水滴受到的黏滞力。在增大水滴接触面积的同时，提高水滴的运动速度，使水滴双电层的电荷密度、接触面积和分离速度得到协同提升，进而提高纳米发电机的输出性能。该研究成果以Slippery contact on organogel enabling droplet energy harvest为题在国际学术期刊Nano Energy上发表。河南大学材料学院崔鹏教授和研究生葛英为共同第一作者，姚晰教授、程纲教授和杜祖亮教授为共同通讯作者。

图3. 器件的结构、输出性能以及水滴在凝胶表面的运动状态分析。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108286

水蒸发是一种无处不在的自然过程。基于碳纳米材料或者纤维材料的水伏发电机是从蒸发过程中产生电能的有效工具之一。水伏发电机的工作原理是利用电子/电荷耦合与水进行相互作用。如何提高能量收集效率一直以来都是亟待解决的重要科学问题和研究热点。对此，我们构建了基于纸张的水伏发电机，用于捕获水蒸发过程产生的能量，并将其转化为电能。这种发电机具有多种优点，包括制造简单、成本低、可重复使用等。该研究成果以Paper-Based Hydroelectric Generators for Water Evaporation-Induced Electricity Generation为题在国际学术期刊Advanced Science上发表。河南大学材料学院研究生张京京为第一作者，崔鹏教授和程纲教授为共同通讯作者。

另一方面，受木本植物木质部中导管结构的启发，在定向冰模板的辅助下，我们制备了具有对齐多孔结构的仿生石墨烯气凝胶。由于具有优异的蒸发输水率，有效地提高了水伏发电的性能。该研究成果以Biomimetic Aerogel with Aligned Porous Structures from Ice Templating for Water Evaporation-Induced Electricity Generation为题在国际学术期刊Advanced Materials Technologies上发表。该研究成果被国际仿生工程学会推荐报道。河南大学研究生张京京为第一作者，崔鹏教授、程纲教授和杜祖亮教授为共同通讯作者。

图4. 上述两种器件的表征及示意图。

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202304482

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.202300370

此外，MOF-801由于其高孔隙率、带电表面和亲水性被我们尝试用于水伏发电。通过利用基于MOF-801薄膜的功能化纳米通道，自然蒸发可以用来生成电能。器件能够产生大约2.2 V的开路电压和1.9 μA的短路电流，并在自然环境中表现出良好的工作稳定性。该研究成果以Harnessing Natural Evaporation for Electricity Generation using MOF-Based Nanochannels为题在国际学术期刊Small上发表。河南大学材料学院研究生刘慧敏为第一作者，崔鹏教授和程纲教授为共同通讯作者。

图5. 器件在真实环境中的输出性能。

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202400961

上述工作得到了国家自然科学基金委、河南省科技厅和河南大学的大力支持。