物质的接触起电

接触起电在日常生活中常被称为摩擦起电，是自然界中普遍存在的基本物理现象之一。尽管其历史可追溯超过2600年，但其微观机理的科学研究长期进展缓慢且复杂。近年来，摩擦纳米发电机（TENG）的发明从根本上改变了这一局面，它将接触起电从一种“负面效应”转化为一种可利用的高效能源技术。本书系统地总结了该领域的重大进展。其中第一部分深入阐述接触起电的基础科学，包括其研究历史与贡献、表面电荷的量化方法与标准、半经典与第一性原理量子理论探索，并分别详述了金属-绝缘体、绝缘体-绝缘体、半导体-半导体界面的电子转移机理与模型（如电子云模型、摩擦伏特效应），以及液-固界面电荷转移与双电层形成的王氏“两步法”模型，最后介绍了新发现的、能驱动氧化还原反应的接触电致催化（CEC）。第二部分则全面展示了基于这些基础原理的颠覆性应用，涵盖了摩擦纳米发电技术、基于摩擦伏特效应的新型直流纳米发电机TVNG，以及利用CEC进行污染物降解、重要化学品合成、资源回收乃至癌症治疗等广阔前景。

前言
第1章 接触起电（摩擦起电）简介 1
1.1 摩擦起电效应和接触起电 1
1.2 摩擦起电效应的研究简史 2
1.3 摩擦起电效应对人类文明的重大贡献 4
1.4 固体材料的接触起电机理 6
1.4.1 在金属-介电材料界面 6
1.4.2 在介电-介电界面：表面态模型 7
1.4.3 在介电-介电界面：电子云重叠模型 7
1.4.4 在金属-半导体界面：摩擦伏特效应 9
1.4.5 在半导体-半导体界面：摩擦伏特效应 9
1.5 液-固界面接触起电 11
1.6 接触电致催化 12
1.7 总结 13
参考文献 14
第2章 接触起电量化表征方法 16
2.1 引言 16
2.2 宏观尺度开尔文探针力显微镜 17
2.3 电容器探针 21
2.4 法拉第杯 24
2.5 视觉辅助方法 26
2.6 原子力显微镜-开尔文探针力显微镜 29
2.6.1 开尔文探针力显微镜 29
2.6.2 静电力显微镜 32
2.6.3 扫描摩擦纳米发电机 33
2.6.4 静电力曲线 36
2.6.5 导电原子力显微镜 36
2.7 摩擦纳米发电机 37
2.7.1 通过摩擦纳米发电机对固体进行定量化的机制 37
2.7.2 通过摩擦纳米发电机量化液体摩擦序列的原理 39
2.8 摩擦电序列的量化 44
2.8.1 聚合物的测量 44
2.8.2 无机非金属材料的测量 46
2.8.3 液体材料的测量 47
2.8.4 二维层状材料的测量 49
2.9 总结 49
参考文献 50
第3章 摩擦起电及相关现象的量子理论 55
3.1 引言 55
3.2 以往理论的综述 56
3.2.1 现象学模型 56
3.2.2 Alicki-Jenkins理论 56
3.2.3 密度泛函计算 56
3.3 哈密顿模型 57
3.3.1 方案 57
3.3.2 紧束缚哈密顿模型 58
3.3.3 连续体模型 60
3.4 光耦合机制 62
3.4.1 二能级系统中的光子发射 63
3.4.2 摩擦电致发光 64
3.5 摩擦伏特效应 66
3.5.1 半导体p-n方程 67
3.5.2 摩擦伏特电流 68
3.5.3 示例结果 68
参考文献 69
第4章 金属和绝缘体界面的接触起电 73
4.1 引言 73
4.2 肖特基接触 74
4.3 绝缘体-金属界面的电子转移 76
4.4 电气化工工作函数模型 79
4.5 电荷泄漏及其相关现象 82
4.6 总结 84
参考文献 85
第5章 绝缘体-绝缘体界面的接触起电 87
5.1 引言 87
5.2 能带模型 88
5.3 电子云模型 90
5.4 界面电子转移-跃迁诱导光子发射 96
5.5 自放电过程 102
5.5.1 热电子发射 102
5.5.2 光子激发 106
5.6 绝缘体-绝缘体界面的其他效应 110
5.6.1 曲率效应 110
5.6.2 原子电负性 114
5.6.3 材料转移和异裂键 117
5.6.4 偶极极化 122
5.6.5 深陷阱 125
5.7 总结 127
参考文献 128
第6章 半导体界面的接触起电——摩擦伏特效应 132
6.1 引言 132
6.2 半导体-金属界面的接触起电 133
6.3 半导体-半导体界面的接触起电 134
6.4 摩擦伏特效应 136
6.4.1 摩擦伏特效应的机制 136
6.4.2 摩擦伏特效应的界面工程 139
6.4.3 材料工程在摩擦起电效应中的应用 144
6.5 接触起电对摩擦伏特效应的影响 147
6.6 摩擦伏特效应的应用 150
6.7 总结 151
参考文献 152
第7章 液-固界面接触起电 158
7.1 引言 158
7.2 双电层 159
7.3 液体-导体界面接触起电 162
7.3.1 超级电容器 162
7.3.2 电化学传感器 164
7.3.3 水-金属接触界面的摩擦伏特效应 168
7.4 液体-介电体界面接触起电 169
7.4.1 离子与电子转移的量化分析 169
7.4.2 液体-介电体界面处的王氏“两步法”双电层模型 172
7.4.3 液体-介电体界面双电层的动态调控 173
7.5 液体-半导体界面的接触起电 199
7.6 总结 201
参考文献 202
第8章 接触电致催化 206
8.1 引言 206
8.1.1 催化简史 206
8.1.2 催化的基本过程 207
8.1.3 催化的重要应用 207
8.1.4 电催化 207
8.1.5 光催化 209
8.1.6 压电催化 210
8.1.7 接触电致催化的发现 211
8.2 接触电致催化的基础理论 212
8.2.1 接触电致催化的起源 212
8.2.2 接触电致催化的“两步走”机理 214
8.2.3 接触电致催化催化剂的广泛遴选范围 215
8.2.4 启动接触电致催化的策略 219
8.2.5 接触电致催化的影响因素 222
8.2.6 与摩擦催化的比较 224
8.3 总结 225
8.3.1 提高接触电致催化催化剂的催化性能 227
8.3.2 接触电致催化启动的有效策略 227
8.3.3 接触电致催化机理的基础研究 228
8.3.4 总结与展望 228
参考文献 229
第9章 基于固-固接触起电的摩擦纳米发电机 235
9.1 引言 235
9.2 固-固摩擦纳米发电机的工作模式 236
9.2.1 基于接触起电与静电感应的 AC-TENG 236
9.2.2 基于接触起电和静电击穿的 DC-TENG 237
9.3 固-固摩擦纳米发电机的性能优化 237
9.3.1 材料优化 238
9.3.2 环境控制 239
9.3.3 电荷激励 239
9.4 固-固摩擦纳米发电机的应用 241
9.4.1 作为微/纳米电源 241
9.4.2 作为自供电传感器 255
9.4.3 蓝色能源 273
9.4.4 高压电源 286
9.5 总结 290
参考文献 290
第10章 基于液-固接触起电的摩擦纳米发电机 300
10.1 引言 300
10.2 用于能量收集的液-固摩擦纳米发电机 301
10.2.1 液滴基摩擦纳米发电机 301
10.2.2 液流基摩擦纳米发电机 312
10.2.3 波浪基摩擦纳米发电机 315
10.3 用于传感的液-固摩擦纳米发电机 317
10.3.1 自驱动微流体传感器 317
10.3.2 自驱动化学传感器 320
10.3.3 其他自驱动传感器 323
10.4 液-固摩擦纳米发电机探针 325
10.4.1 结构设计 325
10.4.2 基本检测原理 326
10.4.3 环境因素对摩擦纳米发电机探针的影响 327
10.4.4 基于摩擦纳米发电机探针的液-固界面电荷转移机理研究 328
10.4.5 基于摩擦纳米发电机探针的传感系统 330
10.4.6 基于摩擦纳米发电机探针的化学分析 331
10.5 总结 332
参考文献 333
第11章 摩擦伏特纳米发电机 339
11.1 引言 339
11.2 在机械零部件中的应用 340
11.2.1 用于旋转气缸的气动监测传感器 340
11.2.2 用于传感的摩擦伏特轴承 342
11.2.3 自驱动传感的推力轴承系统 347
11.3 在多源能量俘获方面的应用 349
11.3.1 摩擦能与光能耦合能量装置 350
11.3.2 摩擦能与热能耦合能量装置 352
11.3.3 摩擦能与水滴能耦合能量装置 354
11.3.4 摩擦能与风能耦合能量装置 356
11.4 在智能柔性器件方面的应用 357
11.4.1 柔性摩擦伏特纳米发电机在传感中的应用 358
11.4.2 柔性摩擦伏特纳米发电机为小型电子设备供电应用 361
11.5 在自供电电传感方面的应用 363
11.5.1 摩擦伏特纳米发电机在运动传感中的应用 363
11.5.2 摩擦伏特纳米发电机在润滑状态监测中的应用 365
11.5.3 摩擦伏特纳米电机用于自供电电传感 366
11.5.4 摩擦伏特纳米发电机用于环境监测 368
11.6 总结 370
参考文献 371
第12章 接触电致催化的应用 373
12.1 引言 373
12.2 低碳应用（污染物降解、二氧化碳捕获） 374
12.3 重要化学品的合成（过氧化氢、氨合成） 379
12.4 资源回收（锂离子、贵金属） 383
12.5 生物医学应用（癌症治疗） 386
12.6 总结与展望 389
参考文献 390