纳米能源所王中林院士Materials Today：基于仿生水母的摩擦纳米发电机可用于收集水波能量和自驱动传感

【引言】

如何收集蓝色能源（Blue Energy），即利用海洋能发电这一重要研究领域一直被美国、日本、英国、西班牙、瑞典和丹麦等海洋大国十分重视，其利用形式主要是将波浪能吸收，并集中转化为机械能，通过电磁发电的原理将其转化为电能。截至目前，相继在海上建立了多种形式的波浪发电装置，然而以上装置对波浪能的能量密度要求较高，特别是波浪较小时，普遍存在发电功率低，转化效率不高等缺陷，经济价值和市场前景大大降低。与此相比，作为新时代的能源技术——摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator, TENG），集低成本、高转化效率、结构简单等优势于一身，通过耦合摩擦起电效应和静电感应实现了机械能量收集并转化为电能，尤其对于频率低于 5 Hz的海浪波动，其输出效率远高于电磁发电机，非常适用于收集蓝色能源，为世界可持续能源的探索和发展开辟了新思路。

【成果简介】

近日，在中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士（通讯作者）的带领下，研究团队陈宝东博士后、唐伟副研究员（共同一作）等人首次研究了一种仿生水母的柔性摩擦纳米发电机（bionic-jellyfish TENG, bjTENG），该发电机结合了仿生模拟水母运动姿态，结构设计和材料制备，利用水压变化作为驱动力，它可以较容易的从低频运动的水波中获取能量并转化为电能。这种新颖的bjTENG拥有了较好柔性和弹性，在PDMS封装外壳保护下，其内部的聚合纳米复合薄膜作为摩擦电层，整个装置通过水面悬浮物固定，可置于不同深度的水中，实现了低频水波运动下的TENG水下发电和自驱动水面温度和波动情况的监测。该发电装置在深度为60 cm、频率为0.75 Hz水中时，稳定输出电压为147 V，电流密度和转移电荷密度达到了11.8 mA/m²和22.1 μC/ m²，可容易点亮几十个绿色LEDs灯。此外，通过自组的自驱动温度传感装置、自驱动无线水波预警系统成功地展示了其实用性、创造性和新颖性。相关成果以题为“Water wave energy harvesting and self-powered liquid-surface fluctuation sensing based on bionic-jellyfish triboelectric nanogenerator” 发表在了Materials Today上。

【图文导读】

图1. 柔性bjTENG的结构及其特征

a. 柔性bjTENG的应用场景展示。

b. 柔性bjTENG的内部结构。

c. 柔性bjTENG的组装过程。

d. 柔性bjTENG实物数码照片。

e. 柔性bjTENG疏水性展示的数码照片。

f. 柔性bjTENG柔性和弹性展示的数码照片。

g, h. 为PTFE摩擦电薄膜的SEM照片。

图2. 柔性bjTENG的工作场景、工作原理

a. 柔性bjTENG的应用场景展示。

b, c 和d为柔性bjTENG的工作过程展示。

e. 柔性bjTENG的工作原理和数值计算的电位分布特征。

图3. 基于界面bjTENG的自驱动波动传感

a. 基于界面bjTENG的自驱动波动传感的工作过程。

b. 不同频率下界面bjTENG输出电流的变化规律。

c. 不同频率下界面bjTENG输出电压、电流和转移电荷量的变化规律。

d. 基于界面bjTENG的自驱动波动传感装置及测试过程照片。

图4. 水下bjTENG的结构及输出性能

a. 水下bjTENG的宏观结构及数码照片。

b. 水下bjTENG的工作场景及工作过程。

c. 水下bjTENG输出性能的稳定性。

d. 不同水深下bjTENG的输出性能及测试过程数码照片。

e. 不同振幅下bjTENG的输出性能。

f. 不同频率下bjTENG的输出性能。

图5. 基于水下bjTENG的波动能量收集装置及输出性能

a. 基于水下bjTENG的波动能量收集装置数码照片（7cm×6cm×2cm）。

b. 波动能量收集装置输出的电压。

c. 波动能量收集装置输出的电流密度。

d. 波动能量收集装置的转移电荷密度。

e. 自驱动LEDs 亮灯系统的电路及测试过程展示。

图6. 自驱动温度传感器抓装置和无线自驱水波波动预警系统

a. 基于100个工作周期下电容与充电电压的关系。

b. 不同电容下充电电压随充电时间的变化规律。

c. 自驱动温度传感装置的工作过程及数码照片。

d. 无线自驱水波波动预警系统的数码照片。

e. 预警周期与水面波动频率的关系。

f. 无线自驱水波波动预警系统的电路。

【小结】

这项研究中，该团队开发出仿生结构的bjTENG及其设计理念，独特鲜明，实用性强，可大面积集成并作为水波能量收集装置用于发电和储能，尤其是无线自驱动传感系统可用来监测温度、波动情况和预警洪灾，因无需外接电源或充电则更适用于网络化覆盖；同时该装置新颖的设计结构和理念也为新型TENG研发提供了新思路。考虑到该发电装置结构简单、成本低、易制作、高转化效率等优势，未来可以实现高密度、大面积集成，并能够预见基于阵列bjTENGs水下发电系统在蓝色能源收集方面的巨大潜力，以及在海洋、湖泊等水域的自主监测和预警的潜在应用价值。

文献链接：Water wave energy harvesting and self-powered liquid-surface fluctuation sensing based on bionic-jellyfish triboelectric nanogenerator（Materials Today, 2017, DOI: 10.1016/j.mattod.2017.10.006）

本文由中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士研究团队，论文第一作者陈宝东博士后投稿。

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