中科院北京納米能源所王中林院士ACS Nano：耦合摩擦納米發電機網絡高效收集波浪能
【引言】
海洋約占地球總面積的71%，其中蘊藏著極為豐富的能源。海洋能主要以波浪能、潮汐能、海流能、鹽差能、溫差能等五種形式存在。其中，僅波浪能一項，世界范圍內的總儲量據估計即可達20億千瓦以上。作為一種潛力巨大的清潔無污染能源，波浪能的大規模開發利用可能會對世界能源消費格局產生重大的影響。現有的基于電磁式發電機的各種波浪能收集試驗裝置雖已取得很大的發展，但也面臨結構復雜、可靠性低、發電成本較高等問題，經過數十年研究，仍缺乏可大規模商業開發的技術。王中林院士提出的摩擦納米發電機（Triboelectric Nanogenerator, TENG）技術為開發利用波浪能提供了一條新的技術路徑。摩擦納米發電機基于麥克斯韋位移電流原理，將摩擦起電和靜電感應結合起來，能直接將無規則的低頻機械運動高效轉化為電能，不需要復雜的機構，同時具有材料選擇多樣、成本低、器件結構靈活等諸多優點。利用TENG網絡收集大面積海域的波浪能量，將不規則的低頻波浪運動高效轉化為電能，將可能成為一種非常有前景的波浪能量收集方案。
【成果簡介】
近日，中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士課題組首次成功實現了耦合摩擦納米發電機網絡對波浪能的收集，通過網格式TENG網絡中各單元的耦合作用，大幅度提升了TENG在真實波浪環境中的工作效能。研究組首先基于紫外改性及摻混微顆粒的硅膠材料構建了高性能TENG單元，實現了電荷量的大幅提升、對微小機械擾動的靈敏響應及良好的耐久性。在低頻正弦激勵下，單個TENG單元的峰值功率可達1.28毫瓦，平均功率為0.3毫瓦。在單元優化的基礎上，構建了4×4排列的16個球形TENG的陣列，整流的單次輸出電荷量達2.14微庫，在低頻激勵下可輸出5.93毫瓦的峰值功率和2.04毫瓦的平均功率。通過真實波浪環境實驗，闡明了網絡連接對于提升TENG單元效能的重要作用，提出了三種單元連接策略并構建了相應的網絡，其中柔性連接結構顯示出更好的效果，相比于未連接的分散單元狀態，柔性連接網絡的電荷量輸出可為未連接的10倍以上。最后，采用耦合TENG網絡在水波驅動下為溫度計供電，成功采集了水體的溫度，證實了其應用于海洋監測儀器供電等領域的潛力。此項研究展示了摩擦納米發電機網絡可作為波浪能收集的一種新穎有效的技術方案，同時也提出了高效的網絡連接策略，將可用于向更大規模的單元系統擴展，形成TENG模塊和大型網絡，為大范圍收集海洋波浪能提供了可行的實驗方案。相關成果以“Coupled Triboelectric Nanogenerator Networks for Efficient Water Wave Energy Harvesting”為題發表在ACS Nano上。
【圖文導讀】
圖1. TENG單元結構及工作原理
a, c,d) 球殼結構TENG單元、硅膠球及外殼的照片；
b) 混合有POM顆粒的硅膠表面的SEM圖像；
e) TENG單元的結構示意圖；
f) TENG單元的工作原理；
g) 原始及經紫外處理的硅膠球的FTIR譜；
h) 不同材料配對情況下的球殼摩擦起電性能。
圖2.?單個TENG單元在模擬波浪驅動下的輸出性能表征
a) 單個TENG單元測試的實驗裝置；
b) 球在殼中的穩定及不穩定運動狀態示意；
c-f) 簡諧激勵下，轉移電荷量、開路電壓、短路電流與運動幅值的依賴關系，及短路電流與頻率的依賴關系；
g, h) 不同簡諧激勵下，TENG單元輸出功率與電阻的依賴關系；
i) 沖擊激勵下，TENG單元的短路電流曲線。
圖3. TENG單元姿態對輸出的影響
a, d) TENG單元兩個姿態角的示意圖；
b, e, g) 不同姿態下的TENG 單元的轉移電荷量；
c, f, h) 不同姿態下，TENG單元對1.07微法電容的充電性能比較。
圖4. 4 × 4 TENG 陣列的輸出表征
a) 4 × 4 TENG陣列的照片；
b) 陣列的整流電路示意圖；
c-g) 在40毫米幅值及3赫茲頻率的簡諧激勵下，TENG陣列的輸出，其中c)為陣列中每一個TENG單元的轉移電荷量，e)為不同單元數量下的整流短路電流輸出，d, f, g) 為整流情況下，整個陣列的電荷、短路電流及開路電壓輸出，c)和e)中標注了相應的單元編號；
h, i) 不同加速度和頻率的沖擊激勵下，陣列的整流短路電流輸出；
j, k) 簡諧激勵及沖擊激勵下，陣列輸出功率與電阻負載的依賴關系；
l) 簡諧激勵下，陣列對不同電容的充電性能。
圖5 TENG單元在水中的連接結構示意及輸出比較
a) 單個TENG的水中連接結構實驗示意圖；
b, c) 不同連接狀態下的TENG單元的轉移電荷量和短路電流；
d) 不同連接狀態下，TENG單元對1.07微法電容的充電性能；
e, f) TENG網絡連接方式示意圖；
g) 網絡中TENG單元的受力分析。?
圖6 采用三種不同連接方式的TENG網絡在水波驅動下的輸出比較
a) 采用線連接的TENG網絡的照片；
b) 用于大范圍波浪能收集的大型TENG網絡的設想圖；
c, d) 三種不同TENG網絡的整流短路電流和轉移電荷量輸出；
e) 三種不同TENG網絡對于11.2微法電容的充電性能；
f) 在2赫茲的波浪激勵下，采用彈性帶連接的TENG網絡對于不同電容的充電性能；
g) 線連接的TENG網絡驅動溫度計的照片；
h) TENG網絡驅動溫度計的電路示意圖；
i) 采用108微法電容儲能，TENG網絡驅動溫度計時的電容充電及輸出放電過程。
【小結】
這項研究中，研究團隊基于對硅膠材料的紫外改性及摻混微顆粒等方法，制備了用于波浪能收集的高性能TENG單元，構筑了相應的TENG網絡，通過真實波浪環境的實驗，闡明了網絡連接對于提升發電機單元效能的重要作用，提出了三種單元連接策略，首次成功實現了耦合摩擦納米發電機網絡對波浪能的收集，通過網格式TENG網絡中各單元的耦合作用，使電荷量輸出提升10倍以上。該研究展示了摩擦納米發電機網絡可作為波浪能收集的一種新穎有效的技術方案，所提出的網絡連接策略可向更大規模的單元系統擴展，組成模塊和大型網絡，應用于大范圍海洋波浪能的高效收集。
文獻鏈接：Coupled Triboelectric Nanogenerator Networks for Efficient Water Wave Energy Harvesting (ACS Nano, 2018, DOI: 10.1021/acsnano.7b08674)
【團隊介紹】
王中林院士：中國科學院外籍院士和歐洲科學院院士，佐治亞理工學院終身校董。佐治亞理工學院終身校董事講席教授，Hightower終身講席教授，工學院杰出講席教授和納米結構表征中心主任。首位中組部 “千人計劃”頂尖千人與團隊入選者，教育部長江學者講座教授。中國科學院北京納米能源與系統研究所首席科學家和首任所長。王中林院士的開創性工作榮獲了多項國際榮譽：美國顯微鏡學會 1999年巴頓獎章﹐2009年美國陶瓷學會Purdy獎，2011年美國材料學會獎章(MRS Medal), 2012年美國陶瓷學會Edward OrtonMemorial 獎,2013 ACS Nano 講座獎，2014年美國物理學會James C. McGroddy 新材料獎，2013中華人民共和國國際科學技術合作獎，2014年佐治亞理工學院杰出教授終身成就獎，2014年NANOSMAT獎，2014年材料領域世界技術獎。王院士是美國物理學會fellow, 美國科學發展協會(AAAS) fellow，美國材料學會 fellow，美國顯微學會fellow, 美國陶瓷學會fellow，英國皇家化學學會fellow。2015年9月24日，湯森路透集團（THOMSONREUTERS）發布了2015年度引文桂冠獎（CitationLaureates）獲獎名單（諾貝爾獎風向標）。中國科學院北京納米能源與系統研究所首席科學家、佐治亞理工學院終身校董事講席教授王中林院士成為物理學領域獲獎人之一，也是該獎項唯一的華人獲獎者。今年8月23日至25日在瑞典斯德哥爾摩舉行的歐洲先進材料大會上，王中林院士又以在先進材料科學和技術領域所做出杰出的貢獻，而榮獲2016年度先進材料獎。
王中林院士是國際公認的納米科技領域領軍人物。在一維氧化物納米結構制備、表征及其在能源技術、電子技術、光電子技術以及生物技術等應用方面均作出了原創性重大貢獻。他發明了納米發電機,并提出了自充電納米結構系統,為微納電子系統的發展開辟了新途徑。他開創了納米結構壓電電子學和壓電光電子學研究的先河，對納米機器人、人-電界面、納米傳感器、醫學診斷及光伏技術的發展具有里程碑意義。已在國際一流刊物上發表超過1400篇期刊論文（其中，《科學》、《自然》、及其子刊40余篇），擁有200項專利，7本專著和20余本編輯書籍和會議文集。他的學術論文已被引用85,000次以上。他論文被引用的H因子(h-index)是160。Nano Energy 的發刊主編和現任主編。
許亮（第一作者）、蔣濤和林沛（共同一作）等人為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）研究組成員。
附：王中林院士個人成果網址：http://www.nanoscience.gatech.edu/group/Current%20Members/Group%20Leader/Zhong%20Lin%20Wang.php
王中林院士研究組主頁：http://www.binn.cas.cn/ktz/wzlyjz/yjzjjwzl/
相關論文：
1. Catch wave power in floating nets (Nature評論)
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)
以上資料來自中科院北京納米能源所王中林院士課題組許亮老師，特此感謝！
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