王中林院士团队：摩擦纳米发电机在蓝色能源收集和海洋环境监视测定方面的研究进展 Engineering

  近日，国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）公布了 2024 年十大新兴化学技术，中国团队相关研究以“Advances in Triboelectric Nanogenerators for Blue Energy Harvesting and Marine Environmental Monitoring”（摩擦纳米发电机在蓝色能源收集和海洋环境监视测定方面的研究进展）为题在中国工程院院刊《Engineering》2024年2月刊发表。该研究介绍了摩擦纳米发电机的理论基础，包括其基本物理机制和基本工作模式，以及利用摩擦纳米发电机网络获取大规模蓝色能量的原始想法。姜阳、梁茜为文章第一作者，蒋涛、王中林为文章通讯作者。

  海洋蕴含着丰富的蓝色能源，如潮汐能、波浪能、水流能等，是一种极具前景的可再生资源。然而，现存技术对其开发利用存在诸多限制，导致利用率较低。电磁发电机（EMG）是目前主要的能量收集方式，但存在成本高、安装困难、易侵蚀、效率低、稳定性差等问题。在此背景下，摩擦纳米发电机及其网络作为蓝色能源收集的新方法应运而生，为蓝色能源的开发利用带来了新的希望。

  图1. TENG的四种基本模式：（a）垂直接触-分离模式；（b）水平滑动模式；（c）单电极模式；（d）独立式摩擦电层模式。

  摩擦纳米发电机由王中林院士于 2012 年首次提出，基于接触带电（CE）和静电感应的耦合效应，通过两种不一样的材料之间的接触 - 分离来发电。其输出来源于麦克斯韦的位移电流。摩擦纳米发电机从人体运动、振动、机械触发、风、流水等过程中收集能量，被分为垂直接触分离模式、水平滑动模式、单电极模式和独立的摩擦电层模式四种基本工作模式。基于上述模式，摩擦纳米发电机可以成功地从水面、水面波和水对海岸的冲击中获取能量。2014 年，王中林院士提出了利用三维摩擦纳米发电机网络获取大规模海洋蓝色能源的想法，因为水能频率较低且无序。

  研究人员设计了一系列先进的摩擦纳米发电机原型，用于提高蓝色能源收集效率和耐久性。这些原型包括滚球形摩擦纳米发电机、圆柱形摩擦纳米发电机、摆动结构摩擦纳米发电机、三维电极摩擦纳米发电机等，以及用于接触分离模式的弹簧辅助结构、质量 - 弹簧结构、多层结构和摆状结构摩擦纳米发电机。例如，滚球结构的摩擦纳米发电机简单易操作，对微小的波很敏感；圆柱形摩擦纳米发电机耐磨性和耐久性高；摆动结构摩擦纳米发电机可以收集超低频水波能量；三维电极结构大幅度提升了接触界面，提高了电荷和功率输出。

  图2. （a）旋转摆摩擦电-电磁混合发电机；（b）用于水波能量清除的混沌摆摩擦电-电磁纳米发电机；（c）球形摩擦电-电磁水波能量收集机；（d）基于枢轴铰链设计的混合式收集机；（e）摩擦电-电磁压电混合纳米发电机；（f）用来同时获取风能和水波能量的TENG装置示意图；（g）具有混合摩擦效应和阴影效应的阴影-摩擦效应纳米发电机。PZT：锆钛酸铅压电陶瓷；PLA：聚乳酸。

  为了进一步提升摩擦纳米发电机的性能，研究人员从材料和结构优化、混合能源收集、网络设计、电源管理和电荷激发等方面探索了一系列性能增强策略。在材料和结构优化方面，选择电负性差异较大的材料，并通过微加工或化学方法对材料来表面修饰，同时合理设计结构；在混合能源收集方面，将摩擦纳米发电机与电磁发电机、压电纳米发电机（PENG）等其他能量收集方法相结合；在网络设计方面，建立一维（1D）链状结构和二维（2D）平面结构网络，并探索网络中各单元之间的连接模式；在电源管理方面，开发有效的电源管理方案，将摩擦纳米发电机产生的交流脉冲电能转换为直流输出；在电荷激发方面，应用充电泵和电荷激励方案提高摩擦纳米发电机的输出性能。

  文章介绍了基于蓝色能源收集的摩擦纳米发电机在海洋环境监视测定方面也具有广泛的应用。它可以为海洋中分布式传感器和信号传输系统提供电源，用于水温、大气压、湿度监测，水质监测，无线 SOS 报警系统，综合海洋信息检测 / 信号传输 / 显示系统和海洋定位系统等。同时，摩擦纳米发电机技术还可用于构建自供电海洋传感器，如海浪频谱传感器、水 / 液位传感器等，并实现水下无线通信和自供电电化学系统。

  图3. 通过TENG产生的麦克斯韦位移电流进行水下无线通信。（a）实验过程的示意图和（b）照片；（c）基于TENG的水下电场通信应用示意图；（d）水下无线通信工作流程图；（e）电容模型示意图。r：相对介电常数；E：原始电场；P：极化电场；E：E和P的组合电场；Q：电荷量。

  虽然摩擦纳米发电机在蓝色能源收集和海洋环境监视测定方面已经取得了巨大的进展，但在能源转换、设备耐久性、电力管理和环境应用方面仍需要持续的探索。未来，研究人员将持续关注这样一些问题，为实现大规模蓝色能源收集和海洋环境监视测定的商业化应用而努力。

  这项研究为摩擦纳米发电机在蓝色能源收集和海洋环境监视测定领域的逐步发展提供了重要的参考，有望推动海洋蓝色能源的开发利用，为实现碳中和目标做出贡献。