Nano Energy：变废为宝的摩擦纳米发电机所驱动的无线传感网络及环境监测应用

【引言】

近年来，经济的快速发展所带来的环境问题（如水环境的污染，垃圾处理等）日益严峻，环境监测传感器作为环境治理过程中的重要组成部分，其需求也迅速增长。然而，目前的环境监测传感器通常需要外部能源供能，如电池。对于需要长期工作的环境监测传感器而言，电池不仅寿命有限，还会产生潜在的环境危害，尤其是在大面积分布传感器网络。因此，通过收集环境中的可再生能源来替代电池为传感器供电是一种有效的解决方案。在众多能量中，流体能量因其在环境监测点附近具有丰富的储量，被视为理想的能够被利用的能源。传统的流体能量收集主要是基于电磁效应，这种方式虽然已经被广泛用于大规模发电。然而，维护成本高、体积大、难以携带阻碍了它们在便携式环境监测系统中的发展。近年来，基于接触带电和静电感应原理的摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator, TENG）已经被证明是一种高效、经济、且易于小型化的能量获取方式。将摩擦纳米发电机和无线环境监测传感网络结合，为长期环境监测提供了最佳解决方案。

【成果简介】

近日，来自重庆大学的杨进教授和中科院北京纳米能源与系统研究所的王中林院士（共同通讯作者）联合在Nano Energy上发表文章，题为：“Wireless Self-Powered Sensor Networks Driven by Triboelectric Nanogenerator for in-situ Real Time Survey of Environmental Monitoring” 在这项研究中，首次通过变废为宝的方式利用回收的牛奶盒作为摩擦发电单元制作了摩擦电纳米发电机(AS - TENG)，其中牛奶盒本身材料是由聚乙烯(PE)、铝箔(Al)和纸浆依次层压而成，只需简单处理就可作为摩擦发电机的发电单元。这种发电机可以实现对风能和水能的收集，并长期为无线环境监测节点供电。摩擦纳米发电机因为采用了独特的弧形结构设计，在和流体相互作用时产生涡激振动从而实现流体能量到电能的转化。此外，开发了以弧形摩擦纳米发电机为电源的自供电无线环境监测系统，在真实河流中进行流体能量采集，并实现了对河流水质(pH值)以及环境滑坡的长期监测和预警。

【图文导读】

图 1. 使用回收的牛奶盒制作的摩擦纳米发电机

(a) 回收的牛奶盒示意图;

(b) 牛奶盒外壳薄膜示意图;

(c) 弧形摩擦纳米发电机的结构剖面示意图以及牛奶盒薄膜中PE聚合物表面纳米线阵列电镜图；

(d) 弧形摩擦电纳米发电机的结构示意图；

(e) 回收的牛奶盒，处理后的牛奶盒薄膜以及弧形摩擦纳米发电机的实物图

(f) 由弧形摩擦纳米发电机阵列供电的无线水质监测系统的示意图。

图2. 弧形摩擦电纳米发电机的工作原理及分析

(a) COMSOL多物理场模拟的流体与器件作用时的流固耦合示意图；

(b) COMSOL多物理场模拟的弧形弹性梁的固有频率；

(c) ANSYS多物理场模拟碰撞时弧形弹性梁和L形梁的界面应力分布；

(d) 运动过程中的一个代表性位置的照片；

(e) 最大位移时的电荷分布；

(f) 最大位移时的电势分布的仿真图。

图3. 不同风速下以及不同特征尺寸的弧形摩擦纳米发电机的电学性能表征

(a) 不同长度L对应的器件在不同风速下的开路电压图；

(b) 不同长度L对应的器件在不同风速下的短路电流图；

(c) 不同长度L对应的最大电压和电流；

(d) 不同间距H对应的器件在不同风速下的开路电压图；

(e) 不同间距H对应的器件在不同风速下的短路电流图；

(f) 不同间距H对应的最大电压和电流；

(g) 最优的开路电压和短路电流图；

(h) 不同外部负载电阻下的输出电压和电流；

(I) 不同的外部负载电阻下的输出功率。

图4. 风力作用下弧形摩擦纳米发电机的供能装置及其应用

(a) 利用弧形摩擦纳米发电机为无线传感器供电的电路图；

(b) 利用弧形摩擦电纳米发电机驱动248盏LED灯；

(c) 无线水质监测系统的照片，该系统由一个无线pH传感器节点、一个接收器、两种不同pH值的溶液和两个弧形摩擦纳米发电机组成；

(d) 当pH值小于5时，水质监测系统发出警报。

图5. 河流流体能驱动下的环境水质及滑坡监测应用示意

(a) 由弧形摩擦纳米发电机阵列供电的无线滑坡预警系统示意图；

(b) 弧形摩擦电纳米发电机在河流中驱动480盏LED灯；

(c) 河流中由弧形摩擦电纳米发电机阵列供电的无线水质监测；

(d) 由弧形摩擦电纳米发电机阵列供电的滑坡预警监测。

【总结】

通过变废为宝的方式使用回收的牛奶盒制作了一种新颖的、环境友好的和完全封装的弧形摩擦纳米发电机用于收集流体能量。更重要的是，通过弧形摩擦纳米发电机驱动无线传感网络，并在真实河流中进行了流体能量采集，进而实现了长期环境监测的应用（水质监测和滑坡预警）。

文献链接：Wireless Self-Powered Sensor Networks Driven by Triboelectric Nanogenerator for in-situ Real Time Survey of Environmental Monitoring, (Nano Energy, 2018, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.08.055)

本文由材料人电子电工学术组Z. Chen供稿，材料牛整理编辑。

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