【研究背景】
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，也将推动包括材料化学、胶体化学、储能、催化和环保等领域的发展。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海水淡化、水收集、微流控技术等诸多新兴前沿领域的发展。
高精度的量化液固界面电荷绝非易事。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。
【内容简介】
基于上述问题，聂双喜教授团队报道了一种液体与电极直接接触的液固摩擦纳米发电机作为探针，用于量化液固界面处不同极性的电荷和液体能量收集。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。这项工作为解决液固界面电荷难探测的瓶颈提供了潜在解决方案，也为加深液固界面化学的理解提供了新的视角。这项成果以题为“Triboelectric charge-separable probes for quantificationally charge investigating at the liquid-solid interface”发表于Nano Energy期刊。广西大学博士研究生罗斌为本文的第一作者，聂双喜教授为通讯作者。
【核心内容】
1. 探针的器件结构与工作原理
探针的器件结构的顶部和底部是铜电极，顶部铜电极中部加装了针尖状的铂电极，形成了非对称的电极结构。液体滑落过程依次直接接触顶部针电极（电极1）及其对侧铜电极（电极2）,这两个过程分别完成了负电荷进入电极1和正电荷进入电极2。在探针运行过程中，需要控制液体的滴落位置，确保液体在固体表面扩散时单独接触电极1，在液滴拉伸下滑时单独接触电极2。探针将正负电荷分离后，电荷将分别储存在两个铜电极中。
图1. 探针的器件结构及其运行机制。
2. 探针的运行
探针实现电荷分离能力的起始驱动力来自液体与固体的接触起电。液体接触电极1时，其转移电荷量为3.4 nC。液滴接触电极2时，探针完成了正负电荷分离，静电计记录的数据显示转移电荷继续增加至5.8nC，因此，电极2捕获2.4 nC电荷。转移电荷曲线斜率发生突变的瞬时状态可以用来区分液体与两个电极分别接触的状态。两个电极对转移电荷的响应时间均为50 ms左右。并使用纳米纤维素悬浮液作为研究对象。不同浓度的纳米纤维素悬浮液完成电荷分离时向两个电极转移的电荷量，浓度与电荷转移量呈负相关。
图2. 单滴液体情况下的探针信号的探究与比较。
考查了探针运行10 s，液体与固体界面的电荷转移情况。探针实现了正负电荷的分离并分别在两个铜电极内进行储存，因此转移电荷与开路电压随着液滴数的增加呈现阶梯形稳定上升，短路电流显示为脉冲直流的特征。通过探针工作的等效电路模型可以进一步解释探针具备电荷分离能力的原因，也可以说明转移电荷和开路电压呈现阶梯型增加的原因。
图3. 探针的运行情况与液体的影响。
3. 探针信号对液体运动状态的反馈
为了展示探针的适用性，获得不同工作环境下液固界面电荷转移的差异化信息。通过调整探针的运行参数（液体的释放高度、固体支撑板与地面的夹角、液体的泵送速度）展示了探针应对多种液固界面电荷转移情况时的识别能力。
图4. 不同运行参数下探针的信号结果。
4. 探针在液体能量收集中的应用
该探针兼具电荷分离能力和TENG的优势，它将在液体能量收集和自驱动传感方面具有应用潜力。短路电流呈脉冲直流型，这解决了常规TENG在驱动用电设备不可避免的使用整流桥的难题。通过100 s的积累时间测得电压最高可达650 V。探针在实现电荷分离后，液固转移的电子将持续在PTFE表面积累，200 s内最高可积累2 μC。
图5. 探针用于液体能量收集。
【结论】
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。该探针在静电力的锚定下实现了不同极性电荷的分离，在电势差的驱动下完成了液固界面电荷的高精度量化。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。
Bin Luo, Tao Liu, Chenchen Cai, Jinxia Yuan, Yanhua Liu, Cong Gao, Xiangjiang Meng, Jinlong Wang, Song Zhang, Mingchao Chi, Ying Qin, Jiamin Zhao, Xinli Zhuang, Shuangfei Wang, Shuangxi Nie, Triboelectric charge-separable probes for quantificationally charge investigating at the liquid-solid interface, Nano Energy, 2023.
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108532
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