中科院北京纳米能源所王中林院士ACS Nano：耦合摩擦纳米发电机网络高效收集波

中科院北京纳米能源所王中林院士ACS Nano：耦合摩擦纳米发电机网络高效收集波浪能

2018-02-12 08:00 来源:材料人

原标题：中科院北京纳米能源所王中林院士ACS Nano：耦合摩擦纳米发电机网络高效收集波浪能

【引言】

海洋约占地球总面积的71%，其中蕴藏着极为丰富的能源。海洋能主要以波浪能、潮汐能、海流能、盐差能、温差能等五种形式存在。其中，仅波浪能一项，世界范围内的总储量据估计即可达20亿千瓦以上。作为一种潜力巨大的清洁无污染能源，波浪能的大规模开发利用可能会对世界能源消费格局产生重大的影响。现有的基于电磁式发电机的各种波浪能收集试验装置虽已取得很大的发展，但也面临结构复杂、可靠性低、发电成本较高等问题，经过数十年研究，仍缺乏可大规模商业开发的技术。王中林院士提出的摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator, TENG）技术为开发利用波浪能提供了一条新的技术路径。摩擦纳米发电机基于麦克斯韦位移电流原理，将摩擦起电和静电感应结合起来，能直接将无规则的低频机械运动高效转化为电能，不需要复杂的机构，同时具有材料选择多样、成本低、器件结构灵活等诸多优点。利用TENG网络收集大面积海域的波浪能量，将不规则的低频波浪运动高效转化为电能，将可能成为一种非常有前景的波浪能量收集方案。

近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士课题组首次成功实现了耦合摩擦纳米发电机网络对波浪能的收集，通过网格式TENG网络中各单元的耦合作用，大幅度提升了TENG在真实波浪环境中的工作效能。研究组首先基于紫外改性及掺混微颗粒的硅胶材料构建了高性能TENG单元，实现了电荷量的大幅提升、对微小机械扰动的灵敏响应及良好的耐久性。在低频正弦激励下，单个TENG单元的峰值功率可达1.28毫瓦，平均功率为0.3毫瓦。在单元优化的基础上，构建了4×4排列的16个球形TENG的阵列，整流的单次输出电荷量达2.14微库，在低频激励下可输出5.93毫瓦的峰值功率和2.04毫瓦的平均功率。通过真实波浪环境实验，阐明了网络连接对于提升TENG单元效能的重要作用，提出了三种单元连接策略并构建了相应的网络，其中柔性连接结构显示出更好的效果，相比于未连接的分散单元状态，柔性连接网络的电荷量输出可为未连接的10倍以上。最后，采用耦合TENG网络在水波驱动下为温度计供电，成功采集了水体的温度，证实了其应用于海洋监测仪器供电等领域的潜力。此项研究展示了摩擦纳米发电机网络可作为波浪能收集的一种新颖有效的技术方案，同时也提出了高效的网络连接策略，将可用于向更大规模的单元系统扩展，形成TENG模块和大型网络，为大范围收集海洋波浪能提供了可行的实验方案。相关成果以“Coupled Triboelectric Nanogenerator Networks for Efficient Water Wave Energy Harvesting”为题发表在ACS Nano上。

图1. TENG单元结构及工作原理

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a, c,d) 球壳结构TENG单元、硅胶球及外壳的照片；

b) 混合有POM颗粒的硅胶表面的SEM图像；

e) TENG单元的结构示意图；

f) TENG单元的工作原理；

g) 原始及经紫外处理的硅胶球的FTIR谱；

h) 不同材料配对情况下的球壳摩擦起电性能。

图2. 单个TENG单元在模拟波浪驱动下的输出性能表征

a) 单个TENG单元测试的实验装置；

b) 球在壳中的稳定及不稳定运动状态示意；

c-f) 简谐激励下，转移电荷量、开路电压、短路电流与运动幅值的依赖关系，及短路电流与频率的依赖关系；

g, h) 不同简谐激励下，TENG单元输出功率与电阻的依赖关系；

i) 冲击激励下，TENG单元的短路电流曲线。

图3. TENG单元姿态对输出的影响

a, d) TENG单元两个姿态角的示意图；

b, e, g) 不同姿态下的TENG 单元的转移电荷量；

c, f, h) 不同姿态下，TENG单元对1.07微法电容的充电性能比较。

图4. 4 × 4 TENG 阵列的输出表征

a) 4 × 4 TENG阵列的照片；

b) 阵列的整流电路示意图；