王中林院士Nano Energy : 一种基于液-固界面摩擦纳米发电机的高灵敏度波浪传感器及其在智能海工装备的应用

【引言】

准确预测波浪信息对海洋工程建设、海洋资源开发利用、环境保护、海上安全和海洋灾害预警至关重要。为了提高智能海工装备的环境感知能力，开发出高灵敏度波浪传感器以监测海浪与海上平台、船舶等海洋设备之间的相互作用非常重要。最近，基于摩擦起电效应和静电感应耦合的摩擦纳米发电机(TENG) 用于能量收集和自驱动传感器已经成为一种强大的技术。作为最重要的TENG类型之一，基于液-固界面的TENG可用于收集水波能量和其他应用，例如自供电pH计、浓度或压力传感器。研究人员提出并探索了一系列用于收集水波能量和传感的液固界面摩擦纳米发电机(LS-TENG)，可收集由液-固界面产生的静电能。此外，还研究了类似浮标的LS-TENG和水槽式LS-TENG，以有效地收集水波能量。U形LS-TENG作为自供电多功能传感器，其中复杂的机械运动可以转化成压力和电信号。因此，液-固界面摩擦纳米发电机具有很大的潜力，可用作智能海工装备的高灵敏度波浪传感器。

【成果简介】

近日，美国佐治亚理工学院王中林院士(通讯作者)等提出并系统地探究了一种基于液固界面摩擦纳米发电机的高灵敏度波浪传感器，并在Nano Energy上发表了题为“A highly-sensitive wave sensor based on liquid-solid interfacing triboelectric nanogenerator for smart marine equipment”的研究论文。上述波浪传感器由铜电极、覆盖具有微结构表面的聚四氟乙烯膜制成。作者系统地研究了传感器基底、波高、频率和盐度对波浪传感器输出性能的影响。结果发现，输出电压随波浪高度呈线性增加。电极宽度为10 mm的波浪传感器，灵敏度为23.5 mV/mm，意味着波浪传感器可以感知毫米范围内的波高。此外，通过加宽电极和/或增强表面疏水性可以进一步提高灵敏度。在波浪水槽中，波浪传感器成功地用于实时监测模拟海上平台周围的波浪信息。因此，新型波浪传感器有望用于智能海工装备周围的波浪信息监测。

【图文简介】
图1 高灵敏度波浪传感器(WS-TENG)的设计示意图

a) 用于监测海工装备周围波浪的WS-TENG示意图；
b) WS-TENG的设计示意图，内插是经处理后具有微观结构的PTFE表面的SEM图像以及原始PTFE和经处理的PTFE的接触角测量图像。

图2 WS-TENG的工作原理

a) 水与WS-TENG的PTFE表面形成的双电层示意图；
b) WS-TENG的工作原理和不同阶段的电荷分布。

图3 基底、波高和频率对WS-TENG输出电压的影响

a) 两种类型基底(即亚克力板和矩形亚克力管)的WS-TENG输出特性实验；
b) 附着在具有不同厚度亚克力板和亚克力管上的WS-TENG输出电压；
c) 在电极宽度为10 mm，H=10-80 mm和f=0.6 Hz条件下测量的WS-TENG的输出电压；
d) 电压峰值与波浪高度(w= 5、10和20 mm)之间的关系；
e) 在电极宽度为10 mm，f=0.6-1.2 Hz的不同频率条件下测量的输出电压；
f) H=10-80 mm下波浪频率对电压峰值的影响。

图4 盐度对WS-TENG输出电压和灵敏度的影响

a) H = 10 mm、水溶液盐度(C)为0-35 mg·mL^-1 时，WS-TENG的输出电压；
b) 盐度对输出电压峰值的影响；
c) 盐度为35 mg·mL^-1、H=10-80 mm、f=0.6 Hz时，在水中测量的输出电压；
d) 盐度为0-35 mg·mL^-1时电压峰值与波高之间的关系；
e) 盐度对WS-TENG灵敏度的影响；
f) 盐度为35 mg·mL^-1时，WS-TENG的3天长效测试。

图5 WS-TENG在智慧海工装备表面的应用

a) 从WS-TENG获得的波浪监测信号的过程；
b) WS-TENG监测海洋平台周围的波浪；
c) 从WS-TENG获得的瞬时波浪高度值；
d) 一个周期内水波的四个瞬时状态图像。

【小结】

综上所述，作者提出并研究了一种基于液-固界面摩擦纳米发电机的高灵敏度波浪传感器。波浪传感器由覆盖具有微结构表面PTFE薄膜的Cu感应电极制成。实验研究了波浪传感器基底、波高、频率和盐度对WS-TENG输出性能的影响。作者发现WS-TENG的输出电压峰值随波高线性变化。电极宽度为10 mm的WS-TENG的灵敏度为0.023 V/mm，这表明该新型传感器可以感应毫米范围内的波高。通过加宽电极和/或增强PTFE材料表面疏水性，可以进一步提高灵敏度。相反，WS-TENG的输出电压峰值与波频率无关。此外，当水的盐度从0增加到0.035 g·mL^-1时，输出电压会急剧下降，这可能是由于高离子浓度降低了电极中的感应电荷。值得注意的是，WS-TENG的输出电压与波高之间的线性关系在不同的盐度下仍然有效。在波浪水槽中，波浪传感器成功用于监测海上平台周围的波浪信息。因此，该新型波浪传感器具有高灵敏度监测智能海工装备周围波浪的巨大优势。

文献链接：A highly-sensitive wave sensor based on liquid-solid interfacing triboelectric nanogenerator for smart marine equipment (Nano Energy, 2018, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.12.041)

本文由材料人编辑部abc940504【肖杰】编译整理。

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