Борьба с популяциями комаров, особенно в изолированных или отдаленных районах, является глобальным приоритетом общественного здравоохранения. В новом исследовании группа китайских исследователей разработала более эффективную конструкцию безопасных трибоэлектрических наногенераторов с автономным питанием (TENG) для уничтожения комаров и смягчения болезней, переносимых комарами. Исследование было опубликовано в Nano Research Energy 23 мая 2023 года.

Распространяя такие болезни, как малярия, желтая лихорадка и вирус Зика, комары убивают больше людей, чем любое другое существо в мире, и изолированные регионы входят в число наиболее пострадавших районов. Химические методы уничтожения включают токсичные материалы и пестициды, которые могут представлять угрозу для здоровья человека и окружающей среды. Методы физического уничтожения используют высокое напряжение для уничтожения насекомых, но эти подходы могут быть опасными и зависеть от постоянного источника питания, который может быть трудно найти в более отдаленных районах.

«Очень важно разработать нетоксичный, автономный и безопасный источник высокого напряжения для предотвращения заболеваний, распространяемых комарами, особенно на изолированных островах или в отдаленных/бедных районах, где затруднено электроснабжение», — сказал Сюхуа Го, первый автор этой исследовательской статьи из Океанического университета Китая.

Устройства ТЭН представляют собой многообещающее решение этой проблемы. ТЭНы собирают статическое электричество, преобразуя низкочастотную механическую энергию окружающей среды в электроэнергию. Благодаря уникальному сочетанию высокого напряжения и низкого тока, ТЭНы могут быть сконструированы просто и недорого из широкого выбора производственных материалов, при этом сохраняя высокую эффективность при высоком выходном напряжении.

TENG уже использовались для сбора энергии от движения человеческих тел, океанских волн и других низкочастотных источников движения. Чтобы повысить удобство использования ТЭНГ и количество подходящих приложений, ученые изучают стратегии повышения плотности заряда ТЭНГ и улучшения выходных характеристик, включая ионную имплантацию, модификацию трибоэлектрических материалов, структурный дизайн и зарядку. Однако простое увеличение плотности заряда часто приводит к пробою воздуха, что снижает выходную мощность TENG и ограничивает максимальную эффективную выходную мощность.

«Эффект пробоя воздуха приводит к тому, что заряды, образующиеся на поверхности ТЭН, рассеиваются в атмосфере, что приводит к потере заряда и снижению поверхностной плотности заряда», — сказал Го, который также учится по обмену в Пекинском институте наноэнергетики и наносистем. «Производительность ТЭН еще не достигла самого высокого теоретического уровня, поэтому предотвращение пробоя воздуха становится ключом к повышению производительности ТЭН».

Исследовательская группа Сяои Ли предложила новую конструкцию изготовления TENG — высокопроизводительный вращающийся трибоэлектрический наногенератор (R-TENG) — с использованием индивидуальной теоретической модели воздушного пробоя и сегнетоэлектрического нанокомпозитного промежуточного слоя для предотвращения пробоя воздуха и сокращения потерь энергии.

В простейшей конструкции ТЭН электрические заряды разделяются на контактных поверхностях, а между поверхностями генерируется электрический потенциал. Когда пленки разделяются во время движения, между двумя электродами образуется переменная разность потенциалов, которая вызывает протекание тока. Чтобы повысить производительность, в конструкцию R-TENG был включен промежуточный слой с высокоориентированными наночастицами титаната бария для увеличения плотности поверхностного заряда и способности удерживать трибоэлектрические заряды.

«Мы также провели индивидуальное теоретическое моделирование на основе градиентных зазоров электродов, чтобы оптимизировать углы зазоров и количество сегментов электродов, что может предотвратить пробой воздуха и увеличить выходную энергию R-TENG как минимум в 1,5 раза», — сказал Го.

Результаты исследования показали, что с помощью схем управления выходное напряжение может достигать 6 кВ — среди наиболее эффективных трибоэлектрических генераторов — с возможностью непрерывного освещения более 3420 светодиодов.

«Мы создали автономную высоковольтную систему профилактики заболеваний на основе высокопроизводительного R-TENG, которая не только может эффективно убивать комаров, но и способна уничтожать бактерии в окружающей среде», — сказал Го.

Затем исследовательская группа сосредоточится на повышении производительности TENG и продвижении его коммерческих приложений.

https://phys.org/news/2023-05-mosquito-zappers-boost-static-electricity-harvester.html