被科學界長期忽視！王中林院士帶你重新認識接觸起電

我一直希望能夠出版一部關于物質接觸起電的書，使它可以幫助廣大讀者全面了解接觸起電。接觸起電是最為人知、隨處可見的現象，它在自然界中無時無刻不在發生，但人們卻缺乏對其深入的科學認識。我認為，在過去的幾個世紀中，接觸起電的研究一直是被科學界忽視的領域，這可能是因為接觸起電在許多情況下會產生負面影響，如引發火災和放電。然而，隨著摩擦納米發電機的出現，接觸起電可能會成為第五大應用。因此，系統地了解接觸起電變得尤為重要。《物質的接觸起電》系統地總結了該領域的重大進展，介紹液態、固態和/或氣態系統中的接觸起電，對接觸起電效應及其各種應用進行最新的綜述。

——王中林

接觸起電（contact-electrification，CE）是指兩種不同物質在直接接觸并分離時產生電荷轉移的過程。這種現象在日常生活中通常被稱為摩擦起電（triboelectrification，TE），是產生靜電的一個基本過程。摩擦起電的主要特征是兩個物體接觸時發生電荷轉移，導致一個物體帶正電，另一個物體帶負電。實際上，CE 是液體、固體和氣體之間任何兩種物質表面之間普遍存在的現象。

摩擦起電的發展歷史

盡管自古希臘以來記錄和研究摩擦起電已有2600多年的歷史，但人類對其機理的研究一直進展緩慢且對其的研究十分復雜，這可能是因為不同的科學家群體從不同角度看待這一現象，同時缺乏合適的技術手段也限制了相關研究的開展。由于摩擦起電常被視為一種負面效應，因此對其研究的動力也相對不足。然而，近年來摩擦納米發電機（TENG）的發明從根本上改變了這一局面，它將接觸起電從一種“負面效應”轉化為一種可利用的高效能源技術。《物質的接觸起電》系統地總結了該領域的重大進展，介紹液態、固態和/或氣態系統中的接觸起電，對接觸起電效應及其各種應用進行最新的綜述。

物質的接觸起電

王中林等著

北京 : 科學出版社, 2026. 3.

ISBN 978-7-03-084798-0

本書的前半部分（第1 章～ 第8 章）主要涉及與接觸起電相關的基礎科學，具體內容概述如下。

第1章

接觸起電（摩擦起電）簡介

王中林，王琦

旨在簡要介紹摩擦起電效應研究的簡史。本章還總結了摩擦起電效應對人類文明的重大貢獻。通過介紹摩擦起電效應及相關應用的新進展，以加快與摩擦起電效應相關的科學和技術的發展。本章為后續各章的內容奠定了基礎。

第2章

接觸起電量化表征方法

鄒海洋，林世權，丁相天，王中林

介紹了接觸起電量化表征方法。描述了從納米尺度到宏觀尺度量化表面電荷密度的基本技術，并介紹了為量化接觸起電而制定的標準。這些技術的建立對于研究各種界面的電荷轉移過程至關重要。

第3章

摩擦起電及相關現象的量子理論

Lok C. Lew Yan Voon，Morten Willatzen

探討了對接觸起電的理論理解，還介紹了半經典量子理論和第一性原理量子理論。與實驗進展相比，接觸起電的理論研究仍處于初步階段，未來仍需開展更多的工作。

第4章

金屬和絕緣體界面的接觸起電

陳翔宇，王中林

主要介紹與肖特基勢壘相關的電荷轉移過程，并研究絕緣體-金屬界面的電子轉移。該研究通過原子力顯微鏡相關的探針技術進行。通過改變樣品溫度或施加偏置電壓，實驗結果表明，主要的電荷是電子。

第5章

絕緣體-絕緣體界面的接觸起電

許程，王中林

主要討論了絕緣體與絕緣體之間的接觸起電。首先介紹了能帶模型，該模型有助于理解材料間的電子轉移，主要通過能帶圖并引入表面態來進行相關描述。然后詳述了2018 年王中林首次提出的電子云模型，該模型為理解物質中的接觸電荷提供了更普遍的視角。假設電子轉移是接觸起電的主導過程，電荷轉移僅可能發生在原子間密切接觸且電子波函數強重疊的區域。此外，還介紹了多種電荷釋放機制。

第6章

半導體界面的接觸起電——摩擦伏特效應

林世權，丁相天，王中林

介紹了半導體界面接觸起電的基本原理，重點討論了王中林于2019 年首次提出的摩擦伏特效應這一新發現。以n 型半導體在p 型半導體表面滑動為例，界面上兩個原子之間的結合會釋放出一種結合能，稱為鍵合子，這種能量可能以內部光子的形式存在，能夠激發局部的電子-空穴對。在pn 結的內建電場作用下，這些電子-空穴對被分離，從而產生直流電輸出。目前，這一效應已成為研究動態半導體界面傳輸和能量收集的新興領域。

第7章

液-固界面接觸起電

魏迪

系統地描述了液-固界面上的電荷轉移，重點討論了導體、電介質和半導體界面上的電荷轉移過程。本章特別強調了雙電層（electrical double layer，EDL）的形成和動力學，EDL 是調節液-固界面電荷行為的基本結構。研究中介紹了王氏“兩步法”模型，闡明了接觸起電在電介質表面形成EDL 中的作用。該模型描述了界面上電子轉移的關鍵因素及其對EDL 形成的初始貢獻。

第8章

接觸電致催化

王子銘，何沐林，楊雪燕，王中林

介紹了接觸電致催化（CEC）。該現象是由王中林研究組于2022 年首次提出的，指的是在液-固界面上通過接觸起電驅動電子轉移，從而促進局部的氧化還原反應。本章全面概述了CEC 的基礎理論、改進CEC 的策略及其獨特優勢。此外，還提出了未來研究和開發CEC 的路線圖。

本書的后半部分（第9 章～ 第12 章）講述了接觸起電的各種應用，具體內容概述如下。

第9章

基于固-固接觸起電的摩擦納米發電機

賴盈至，王杰

系統介紹了TENG 的基本理論和技術應用。本章首先介紹了交流（AC）型和直流（DC）型兩種主要類型的TENG，并詳細闡述了交流型TENG的五種工作模式及直流型TENG 使用的兩種類型。本章還討論了固-固TENG 的性能優化，包括材料選擇、環境控制和電荷激勵等方面。此外，還綜述了TENG 在作為微/納米電源（如收集人體運動能量、體內機械能、振動能和風能）、作為自供電傳感器（包括觸覺、生物力學、聲學、人體生理和化學傳感）、藍色能源和高壓電源等領域的應用。

第10章

基于液-固接觸起電的摩擦納米發電機

程綱，張金洋，秦懷方

介紹了基于液-固接觸起電的TENG 應用，包括水能收集和傳感系統。TENG 已被證明是測量電荷轉移和液-固界面的有效探針，這對基礎化學研究具有重要意義。本章詳細介紹了利用液-固接觸起電的TENG 應用的最新進展，主要包括能量收集、傳感和TENG 探針等方面。這些應用能夠實現液體動能轉化為電能、自供電的微流控或化學傳感，以及液-固界面的相關研究。

第11章

摩擦伏特納米發電機

張弛，張之

介紹了利用摩擦伏特效應的創新能源轉換裝置——摩擦伏特納米發電機（TVNG）。該裝置在機械零部件、多源能量俘獲、智能柔性器件和自供電傳感等領域具有巨大的應用潛力。本章還展示了摩擦伏特效應在不同場景下的廣泛適應性和高效性，同時為未來智能系統和新能源技術的發展提供了寶貴的指導。

第12章

接觸電致催化的應用

唐偉，姜鵬

介紹了CEC 的應用，包括污染物降解、二氧化碳捕獲、重要化學品的合成（如過氧化氫合成和氨合成）、資源回收（如鋰離子和貴金屬）、癌癥治療方面。CEC 在溫和的條件下具有很高的反應效率，這使其區別于需要更高條件的其他催化過程。CEC 的一個顯著優勢是其催化劑的廣泛選擇范圍，包括許多傳統的有機和無機材料。此外，CEC 的應用范圍已經從固-液界面擴展到液-液界面，如油-水界面，在這些界面上，液-液接觸電致催化可誘導電子轉移，推動氧化還原反應，類似于固-液系統，這為液體界面的催化過程開辟了新的可能性，而傳統催化方法在這些界面可能不太有效。

本書能為物理學、化學、材料科學及電氣工程等領域的研究生和科研人員提供重要的教學與研究參考，希望大家共同推動這個古老而嶄新的領域邁向未來。

本文摘編自《物質的接觸起電》（王中林等著. 北京 : 科學出版社, 2026. 3）一書“前言”，有刪減修改，標題為編者所加。

ISBN 978-7-03-084798-0

責任編輯: 李明楠 李麗嬌

接觸起電在日常生活中常被稱為摩擦起電，是自然界中普遍存在的基本物理現象之一。盡管其歷史可追溯超過2600年，但其微觀機理的科學研究長期進展緩慢且復雜。近年來，摩擦納米發電機（TENG）的發明從根本上改變了這一局面，它將接觸起電從一種“負面效應”轉化為一種可利用的高效能源技術。本書系統地總結了該領域的重大進展。

其中第一部分深入闡述接觸起電的基礎科學，包括其研究歷史與貢獻、表面電荷的量化方法與標準、半經典與第一性原理量子理論探索，并分別詳述了金屬-絕緣體、絕緣體-絕緣體、半導體-半導體界面的電子轉移機理與模型（如電子云模型、摩擦伏特效應），以及液-固界面電荷轉移與雙電層形成的王氏“兩步法”模型，最后介紹了新發現的、能驅動氧化還原反應的接觸電致催化（CEC）。第二部分則全面展示了基于這些基礎原理的顛覆性應用，涵蓋了摩擦納米發電技術、基于摩擦伏特效應的新型直流納米發電機TVNG，以及利用CEC 進行污染物降解、重要化學品合成、資源回收乃至癌癥治療等廣闊前景。

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摩擦納米發電機

（本文編輯：劉四旦）

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