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。
【成果简介】
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。
【图文导读】
图1. TENG单元结构及工作原理
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；
c-g) 在40毫米幅值及3赫兹频率的简谐激励下，TENG阵列的输出，其中c)为阵列中每一个TENG单元的转移电荷量，e)为不同单元数量下的整流短路电流输出，d, f, g) 为整流情况下，整个阵列的电荷、短路电流及开路电压输出，c)和e)中标注了相应的单元编号；
h, i) 不同加速度和频率的冲击激励下，阵列的整流短路电流输出；
j, k) 简谐激励及冲击激励下，阵列输出功率与电阻负载的依赖关系；
l) 简谐激励下，阵列对不同电容的充电性能。
图5 TENG单元在水中的连接结构示意及输出比较
a) 单个TENG的水中连接结构实验示意图；
b, c) 不同连接状态下的TENG单元的转移电荷量和短路电流；
d) 不同连接状态下，TENG单元对1.07微法电容的充电性能；
e, f) TENG网络连接方式示意图；
g) 网络中TENG单元的受力分析。
图6 采用三种不同连接方式的TENG网络在水波驱动下的输出比较
a) 采用线连接的TENG网络的照片；
b) 用于大范围波浪能收集的大型TENG网络的设想图；
c, d) 三种不同TENG网络的整流短路电流和转移电荷量输出；
e) 三种不同TENG网络对于11.2微法电容的充电性能；
f) 在2赫兹的波浪激励下，采用弹性带连接的TENG网络对于不同电容的充电性能；
g) 线连接的TENG网络驱动温度计的照片；
h) TENG网络驱动温度计的电路示意图；
i) 采用108微法电容储能，TENG网络驱动温度计时的电容充电及输出放电过程。
【小结】
这项研究中，研究团队基于对硅胶材料的紫外改性及掺混微颗粒等方法，制备了用于波浪能收集的高性能TENG单元，构筑了相应的TENG网络，通过真实波浪环境的实验，阐明了网络连接对于提升发电机单元效能的重要作用，提出了三种单元连接策略，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，使电荷量输出提升10倍以上。该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，所提出的网络连接策略可向更大规模的单元系统扩展，组成模块和大型网络，应用于大范围海洋波浪能的高效收集。
文献链接：Coupled Triboelectric Nanogenerator Networks for Efficient Water Wave Energy Harvesting (ACS Nano, 2018, DOI: 10.1021/acsnano.7b08674)
【团队介绍】
王中林院士：中国科学院外籍院士和欧洲科学院院士，佐治亚理工学院终身校董。佐治亚理工学院终身校董事讲席教授，Hightower终身讲席教授，工学院杰出讲席教授和纳米结构表征中心主任。首位中组部 “千人计划”顶尖千人与团队入选者，教育部长江学者讲座教授。中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家和首任所长。王中林院士的开创性工作荣获了多项国际荣誉：美国显微镜学会 1999年巴顿奖章﹐2009年美国陶瓷学会Purdy奖，2011年美国材料学会奖章(MRS Medal), 2012年美国陶瓷学会Edward OrtonMemorial 奖,2013 ACS Nano 讲座奖，2014年美国物理学会James C. McGroddy 新材料奖，2013中华人民共和国国际科学技术合作奖，2014年佐治亚理工学院杰出教授终身成就奖，2014年NANOSMAT奖，2014年材料领域世界技术奖。王院士是美国物理学会fellow, 美国科学发展协会(AAAS) fellow，美国材料学会 fellow，美国显微学会fellow, 美国陶瓷学会fellow，英国皇家化学学会fellow。2015年9月24日，汤森路透集团（THOMSONREUTERS）发布了2015年度引文桂冠奖（CitationLaureates）获奖名单（诺贝尔奖风向标）。中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家、佐治亚理工学院终身校董事讲席教授王中林院士成为物理学领域获奖人之一，也是该奖项唯一的华人获奖者。今年8月23日至25日在瑞典斯德哥尔摩举行的欧洲先进材料大会上，王中林院士又以在先进材料科学和技术领域所做出杰出的贡献，而荣获2016年度先进材料奖。
王中林院士是国际公认的纳米科技领域领军人物。在一维氧化物纳米结构制备、表征及其在能源技术、电子技术、光电子技术以及生物技术等应用方面均作出了原创性重大贡献。他发明了纳米发电机,并提出了自充电纳米结构系统,为微纳电子系统的发展开辟了新途径。他开创了纳米结构压电电子学和压电光电子学研究的先河，对纳米机器人、人-电界面、纳米传感器、医学诊断及光伏技术的发展具有里程碑意义。已在国际一流刊物上发表超过1400篇期刊论文（其中，《科学》、《自然》、及其子刊40余篇），拥有200项专利，7本专著和20余本编辑书籍和会议文集。他的学术论文已被引用85,000次以上。他论文被引用的H因子(h-index)是160。Nano Energy 的发刊主编和现任主编。
许亮（第一作者）、蒋涛和林沛（共同一作）等人为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）研究组成员。
附：王中林院士个人成果网址：http://www.nanoscience.gatech.edu/group/Current%20Members/Group%20Leader/Zhong%20Lin%20Wang.php
王中林院士研究组主页：http://www.binn.cas.cn/ktz/wzlyjz/yjzjjwzl/
相关论文：
1. Catch wave power in floating nets (Nature评论)
2. Toward the blue energy dream by triboelectric nanogenerator networks ( Nano Energy, 2017, https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2017.06.035)
3. Integrated triboelectric nanogenerator array based on air-driven membrane structures for water wave energy harvesting (Nano Energy, 2017, https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2016.11.037)
以上资料来自中科院北京纳米能源所王中林院士课题组许亮老师，特此感谢！
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