王中林Nature最新述评：“蓝色能源”之梦

自然界为人类提供了三种能量的来源：太阳、空气和重力。太阳能和风能已经进行了大规模的开发，而重力能就少得多了。水电站需要从流动的河流上收集能量，潮汐能也可以在某些入海口或者海岸进行收集。但是只有极少的地方可以用来修筑水坝或者水闸，而且建造这些也会对环境造成破坏。

相比之下，海洋覆盖了地球70%的表面。水波能极为丰富，无论何时、无论何种天气都永不停息，收集这些能量只需要很少的建筑面积并且不用担心安全问题。然而，对这种“蓝色能源”的利用还不够，目前的水波能发电厂所产生的电能还不足以供给一个小镇，而且水波能发电厂还没有进行任何的商业运作。

近日，来自中科院北京纳米能源与系统研究所和美国佐治亚理工大学的王中林院士在Nature上发表了题目为“Catch wave power in floating nets”的述评，详细论述了利用纳米发电机收集水波能这种“蓝色能源”的研究进展、可行性以及面临的困难，并对纳米发电机的未来发展给予了厚望。

王中林院士团队一直致力于对纳米发电机的研究，这些器件包括从利用心跳驱动的医学传感器一直到能够发电用于照明、健康和安全的垫子。当某些材料进行摩擦的时候，其表面就会产生静电，收集这些静电的方式比利用压电材料进行发电更为有效和经济。因此，如果能将摩擦纳米发电机大规模应用于实际那是极为激动人心的。但是，现在还面临着以下这些问题需要解决：开发更高效和持久的发电机材料和设计，在开放海域将这些纳米发电机连接为网络，收集能量并将其传输到陆地。

对于能源网络的构建，文中提出了以下三个方面的构想：

第一，构建圆形的浮动装置浮于海面，利用球内的运动部分在波浪冲击下在内部摩擦产生电荷。

第二，利用浮动装置上的悬挂链增加单位体积海水所能产生的能量。

第三，可以在浮动装置上增加太阳能和风能接收装置增加电能的产出并将其传输至陆地上的发电厂或电网中。

详细的装置结构及工作原理见下图：

蓝色能源装置及工作原理图

虽然初步的构想已经成型，并在小规模的实验中证实了其可行性，但是大规模的工业应用还是面临着很多技术问题，其中的核心就是纳米发电机的持久性。浮动装置及发电机本身的材料在海水及阳光下的老化以及浮动球体内的渗水问题都是阻碍纳米发电机持续工作的障碍。此外，纳米发电机网络的位置对于渔业、航海、人类生活以及海洋生物的影响也是必须考虑的问题。最后，相比发展成熟的太阳能和风能发电装置，纳米发电机目前还不具备与其竞争的能力。但是其成本低廉、装置简单，对于发展中国家来说可以作为其日益增长的电力需求的备选。

当然，实现“蓝色能源”之梦还有很长的路要走，需要各个学科的科研工作者的通力合作。据估算，首期的研究预算就高达5千万到1亿美元，这些都离不开政府、私人投资机构和能源企业的大力支持。

虽然前路漫漫，但是只要有足够的投资和科技支持，“蓝色能源”将不仅仅是一个梦想，它会变得比太阳能和风能等传统能源更廉价，让我们共同期待那一天的到来吧！

文献链接：Catch wave power in floating nets (Nature, 2017, DOI: 10.1038/542159a)

本文由材料人电子电工学术组大城小爱供稿，材料牛整理编辑。

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