納米能源所王中林院士Materials Today：基于仿生水母的摩擦納米發電機可用于收集水波能量和自驅動傳感

【引言】

如何收集藍色能源（Blue Energy），即利用海洋能發電這一重要研究領域一直被美國、日本、英國、西班牙、瑞典和丹麥等海洋大國十分重視，其利用形式主要是將波浪能吸收，并集中轉化為機械能，通過電磁發電的原理將其轉化為電能。截至目前，相繼在海上建立了多種形式的波浪發電裝置，然而以上裝置對波浪能的能量密度要求較高，特別是波浪較小時，普遍存在發電功率低，轉化效率不高等缺陷，經濟價值和市場前景大大降低。與此相比，作為新時代的能源技術——摩擦納米發電機（Triboelectric Nanogenerator, TENG），集低成本、高轉化效率、結構簡單等優勢于一身，通過耦合摩擦起電效應和靜電感應實現了機械能量收集并轉化為電能，尤其對于頻率低于 5 Hz的海浪波動，其輸出效率遠高于電磁發電機，非常適用于收集藍色能源，為世界可持續能源的探索和發展開辟了新思路。

【成果簡介】

近日，在中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士（通訊作者）的帶領下，研究團隊陳寶東博士后、唐偉副研究員（共同一作）等人首次研究了一種仿生水母的柔性摩擦納米發電機（bionic-jellyfish TENG, bjTENG），該發電機結合了仿生模擬水母運動姿態，結構設計和材料制備，利用水壓變化作為驅動力，它可以較容易的從低頻運動的水波中獲取能量并轉化為電能。這種新穎的bjTENG擁有了較好柔性和彈性，在PDMS封裝外殼保護下，其內部的聚合納米復合薄膜作為摩擦電層，整個裝置通過水面懸浮物固定，可置于不同深度的水中，實現了低頻水波運動下的TENG水下發電和自驅動水面溫度和波動情況的監測。該發電裝置在深度為60 cm、頻率為0.75 Hz水中時，穩定輸出電壓為147 V，電流密度和轉移電荷密度達到了11.8 mA/m²和22.1 μC/ m²，可容易點亮幾十個綠色LEDs燈。此外，通過自組的自驅動溫度傳感裝置、自驅動無線水波預警系統成功地展示了其實用性、創造性和新穎性。相關成果以題為“Water wave energy harvesting and self-powered liquid-surface fluctuation sensing based on bionic-jellyfish triboelectric nanogenerator” 發表在了Materials Today上。

【圖文導讀】

圖1. 柔性bjTENG的結構及其特征

a. 柔性bjTENG的應用場景展示。

b. 柔性bjTENG的內部結構。

c. 柔性bjTENG的組裝過程。

d. 柔性bjTENG實物數碼照片。

e. 柔性bjTENG疏水性展示的數碼照片。

f. 柔性bjTENG柔性和彈性展示的數碼照片。

g, h. 為PTFE摩擦電薄膜的SEM照片。

圖2. 柔性bjTENG的工作場景、工作原理

a. 柔性bjTENG的應用場景展示。

b, c 和d為柔性bjTENG的工作過程展示。

e. 柔性bjTENG的工作原理和數值計算的電位分布特征。

圖3. 基于界面bjTENG的自驅動波動傳感

a. 基于界面bjTENG的自驅動波動傳感的工作過程。

b. 不同頻率下界面bjTENG輸出電流的變化規律。

c. 不同頻率下界面bjTENG輸出電壓、電流和轉移電荷量的變化規律。

d. 基于界面bjTENG的自驅動波動傳感裝置及測試過程照片。

圖4. 水下bjTENG的結構及輸出性能

a. 水下bjTENG的宏觀結構及數碼照片。

b. 水下bjTENG的工作場景及工作過程。

c. 水下bjTENG輸出性能的穩定性。

d. 不同水深下bjTENG的輸出性能及測試過程數碼照片。

e. 不同振幅下bjTENG的輸出性能。

f. 不同頻率下bjTENG的輸出性能。

圖5. 基于水下bjTENG的波動能量收集裝置及輸出性能

a. 基于水下bjTENG的波動能量收集裝置數碼照片（7cm×6cm×2cm）。

b. 波動能量收集裝置輸出的電壓。

c. 波動能量收集裝置輸出的電流密度。

d. 波動能量收集裝置的轉移電荷密度。

e. 自驅動LEDs 亮燈系統的電路及測試過程展示。

圖6. 自驅動溫度傳感器抓裝置和無線自驅水波波動預警系統

a. 基于100個工作周期下電容與充電電壓的關系。

b. 不同電容下充電電壓隨充電時間的變化規律。

c. 自驅動溫度傳感裝置的工作過程及數碼照片。

d. 無線自驅水波波動預警系統的數碼照片。

e. 預警周期與水面波動頻率的關系。

f. 無線自驅水波波動預警系統的電路。

【小結】

這項研究中，該團隊開發出仿生結構的bjTENG及其設計理念，獨特鮮明，實用性強，可大面積集成并作為水波能量收集裝置用于發電和儲能，尤其是無線自驅動傳感系統可用來監測溫度、波動情況和預警洪災，因無需外接電源或充電則更適用于網絡化覆蓋；同時該裝置新穎的設計結構和理念也為新型TENG研發提供了新思路。考慮到該發電裝置結構簡單、成本低、易制作、高轉化效率等優勢，未來可以實現高密度、大面積集成，并能夠預見基于陣列bjTENGs水下發電系統在藍色能源收集方面的巨大潛力，以及在海洋、湖泊等水域的自主監測和預警的潛在應用價值。

文獻鏈接：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）

本文由中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士研究團隊，論文第一作者陳寶東博士后投稿。

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