《Chemical Engineering Journal》：Assessment of environmental and mechanical factors affecting cement-based triboelectric nanogenerators: Stability and durability
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自供电智能交通基础设施中水泥基摩擦纳米发电机（CBTENGs）的环境与机械耐久性研究，系统评估了温度（-20°C至80°C）、湿度（50%最优）、冻融/湿干循环、硫酸腐蚀、磨损及动态冲击载荷下的性能稳定性。研究表明温度升高显著提升输出电流（达35%），但酸腐蚀导致55%性能退化，而冻融/湿干循环和疲劳测试（9000次）下保持超90%初始输出，验证了其在复杂工况下的可靠性及界面极化、水合作用等微观机制的关键作用。
董文奎|赵彩玉|高子言|卓 Linguangze|刘国旭|张进|彭书华|张驰|Surendra P. Shah|李文贵
新南威尔士大学土木与环境工程学院基础设施工程与安全中心，澳大利亚悉尼 NSW 2052
摘要
基于水泥的摩擦电纳米发电机（CBTENGs）通过从路面表面收集机械能，为自供电和智能交通基础设施提供了一条变革性的途径。然而，它们的实际应用需要全面了解其环境和机械耐久性及适应性。本研究首次系统地评估了 CBTENGs 在综合环境和机械干扰下的耐久性，研究了其在不同服役条件下的稳定性，包括温度、相对湿度、冻融循环、湿干循环、酸腐蚀、磨损、动态冲击载荷和疲劳。结果表明，当温度从 -20 °C 升高到 80 °C 时，输出电流增加了多达 35%，这主要归因于界面极化的增强、介电迁移率的提高、电荷定位的改善以及能量屏障的降低。最佳湿度水平（约 50% 相对湿度）通过氢键介导的偶极排列最大化了电荷生成，而过多的水分则会导致导电路径的形成，使输出降低约 28%。这些设备在经过 20 次冻融或湿干循环后仍能保持超过 90% 的初始输出，并在 9000 次疲劳循环后保持稳定的性能。然而，硫酸暴露会使输出降低 55%，表明化学降解是主要的劣化模式。这些结果确立了 CBTENGs 的环境和机械可靠性，并阐明了控制电荷保持的微观结构和界面机制，为开发耐用且高效的能量收集路面系统奠定了坚实的基础。
引言
全球向可持续和智能基础设施的快速转型加剧了从土木工程系统中收集环境能量的兴趣 [1]、[2]、[3]。在新兴策略中，摩擦电纳米发电机（TENGs）因其能够将低频机械振动转换为可用电能而显示出卓越的潜力 [4]、[5]、[6]、[7]。自 2012 年引入以来，TENGs 已被应用于广泛的领域，包括可穿戴电子设备、生物医学传感器和大规模环境监测。它们的独特优势——轻质结构、成本效益高的制造方式以及与多种材料的兼容性——使它们特别适合在容易获得大量机械激励的土木和交通基础设施中部署。
水泥基复合材料作为全球最广泛使用的建筑材料，具有体积大、耐久性和直接结构集成的固有优势 [8]、[9]、[10]。基于水泥的摩擦电纳米发电机（CBTENGs）代表了一种新的多功能建筑材料范式，将结构功能与能量收集相结合，使得将能量收集能力无缝集成到道路和路面上成为可能。它可以将车辆、行人和环境振动的机械能转换为电能（图 1a）。这样的自供电道路系统为为路边电子设备、结构健康监测设备、交通传感器甚至支持智能城市的分布式能源供应提供了新的机会 [11]、[12]、[13]、[14]、[15]。重要的是，使用水泥基材料显著降低了成本障碍，并提高了机械强度，从而促进了可扩展性和实际应用。
尽管概念上很有前景，但在实际服役条件下 CBTENGs 的长期稳定性和耐久性仍很大程度上未被探索。道路环境对材料施加了复杂而恶劣的干扰，不仅包括来自交通的循环机械载荷，还包括强烈的环境波动 [16]、[17]、[18]、[19]。路面结构在不同季节经历广泛的温度变化，从寒冷地区的零下条件到在直射阳光下的表面过热（超过 60-80 °C）。相对湿度（RH）可以从干旱气候到高湿度气候发生剧烈变化，从而改变水泥基材料的水分状态。此外，基础设施还经常受到冻融循环、湿干波动以及来自融雪盐、酸雨和含硫酸盐地下水的化学腐蚀 [20]、[21]、[22]、[23] 的影响。除了环境影响外，路面还受到轮胎与路面的磨损、碎屑造成的表面划伤以及重复车辆载荷引起的疲劳裂纹等机械作用。所有这些干扰都有可能导致水泥基材料的微观结构退化，改变介电性质，并加速摩擦电界面处的电荷耗散，最终影响 CBTENGs 的电能输出和功能寿命 [24]、[25]。
以往关于 TENGs 的研究主要集中在通过材料创新、结构设计和表面工程来提高输出。虽然在提高电压、电流和功率密度方面取得了显著进展，但耐久性方面的考虑大多被忽视了。大多数现有的耐久性研究集中在基于聚合物的 TENGs 上，其中湿度敏感性、表面磨损和化学降解通常通过疏水涂层、封装或柔性复合材料设计来缓解。然而，由于材料孔隙率、离子导电性、水分保持和结构刚度的根本差异，这些策略不能直接应用于基于水泥的系统。少数研究评估了湿度对基于聚合物的 TENGs 的影响，发现高相对湿度下存在显著的电荷泄漏 [26]、[27]、[28]。同样，关于耐磨性的研究表明，磨损会迅速减少有效接触面积和摩擦电电荷保持 [29]、[30]。然而，这些努力仍然零散，对 CBTENGs 的环境和机械耐久性的系统评估几乎不存在。环境和机械干扰的耦合效应进一步复杂化了耐久性问题。水分侵入可以增加水泥基基质内的离子导电性，从而加速电荷耗散并促进化学腐蚀 [31]、[32]、[33]、[34]。冻融循环会诱导微裂纹，扩大侵蚀性离子的有效传输路径，加剧后续的降解。表面磨损不仅降低了接触效率，还使新的水泥基表面更容易受到碳化、氯化物渗透或酸溶解的影响。这些协同作用强调了在多种机械和环境干扰下评估 CBTENGs 的必要性，因为真实的道路环境本质上是多因素的。
本研究旨在首次系统地研究 CBTENGs 在代表道路服役条件的环境和机械干扰下的稳定性和耐久性。传统的水泥基材料耐久性研究已经建立了评估冻融抗性、硫酸酸腐蚀和磨损的协议。然而，这些协议主要关注机械强度，而不是摩擦电输出等功能特性。将这些方法转化为适用于能量收集的水泥基复合材料将为性能保持和失效机制提供新的见解。如图 1b 所示，设计了一套加速实验室协议来评估关键耐久性因素：（i）温度和 RH 变化以模拟季节和地理差异；（ii）冻融（FT）和湿干（WD）循环以复制循环体积应力；（iii）控制水分含量以明确内部水分对电荷行为的作用；（iv）通过硫酸浸渍-干燥循环进行化学腐蚀以模拟酸雨或工业污染；（v）磨损和划痕测试以评估表面磨损损伤；（vi）冲击和疲劳测试以评估动态载荷和稳定性。通过系统地研究环境和机械耐久性，本研究为 CBTENGs 在智能和可持续交通网络中的可靠大规模应用奠定了基础（图 1c）。
材料与制备
CBTENG 样品使用普通波特兰水泥和 10% 硅灰作为主要基质进行制备，因为硅灰应用广泛且耐久性良好。为了提高可加工性和减少缺陷，保持了 0.4 的水灰比。混合程序遵循先前的研究以确保均匀性 [35]。将水泥浆浇铸到模具（40 × 40 × 160 mm3）中，并振动以去除其中的空气。样品在 24 小时后脱模，随后
环境温度和相对湿度
如图 2a-2c 所示，CBTENGs 的摩擦电输出表现出明显的温度依赖性增强。短路电流和开路电压从 -20 °C 到 80 °C 逐渐增加，峰值增益分别为 35% 和 2.5%。这一趋势表明，温度升高促进了水泥-PTFE 界面上更有效的电荷生成和传输。这种增强归因于摩擦电表面的热诱导软化。
结论
本研究首次全面评估了用于道路能量收集的 CBTENGs 的环境和机械耐久性。结果表明，在温度变化下具有出色的运行稳定性，高温下的电流输出增加了多达 37%，并且在 50% 相对湿度下实现了最佳性能，这归因于氢键辅助的电荷传输。冻融和湿干循环引起的降解可以忽略不计（< 10%），而长期疲劳
CRediT 作者贡献声明
刘国旭：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，资源，调查，数据管理。卓 Linguangze：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，资源，方法学，调查。高子言：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，资源，方法学，调查，数据管理。赵彩玉：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，资源，调查。张进：撰写 –
利益冲突声明
■ 作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
作者感谢 澳大利亚研究委员会（ARC）（DP260100885, FT220100177, LP240200692, LP230100288, DP220101051, DP220100036, IH200100035）的支持。
