Nano Energy：變廢為寶的摩擦納米發電機所驅動的無線傳感網絡及環境監測應用

【引言】

近年來，經濟的快速發展所帶來的環境問題（如水環境的污染，垃圾處理等）日益嚴峻，環境監測傳感器作為環境治理過程中的重要組成部分，其需求也迅速增長。然而，目前的環境監測傳感器通常需要外部能源供能，如電池。對于需要長期工作的環境監測傳感器而言，電池不僅壽命有限，還會產生潛在的環境危害，尤其是在大面積分布傳感器網絡。因此，通過收集環境中的可再生能源來替代電池為傳感器供電是一種有效的解決方案。在眾多能量中，流體能量因其在環境監測點附近具有豐富的儲量，被視為理想的能夠被利用的能源。傳統的流體能量收集主要是基于電磁效應，這種方式雖然已經被廣泛用于大規模發電。然而，維護成本高、體積大、難以攜帶阻礙了它們在便攜式環境監測系統中的發展。近年來，基于接觸帶電和靜電感應原理的摩擦納米發電機（Triboelectric Nanogenerator, TENG）已經被證明是一種高效、經濟、且易于小型化的能量獲取方式。將摩擦納米發電機和無線環境監測傳感網絡結合，為長期環境監測提供了最佳解決方案。

【成果簡介】

近日，來自重慶大學的楊進教授和中科院北京納米能源與系統研究所的王中林院士（共同通訊作者）聯合在Nano Energy上發表文章，題為：“Wireless Self-Powered Sensor Networks Driven by Triboelectric Nanogenerator for in-situ Real Time Survey of Environmental Monitoring” 在這項研究中，首次通過變廢為寶的方式利用回收的牛奶盒作為摩擦發電單元制作了摩擦電納米發電機(AS - TENG)，其中牛奶盒本身材料是由聚乙烯(PE)、鋁箔(Al)和紙漿依次層壓而成，只需簡單處理就可作為摩擦發電機的發電單元。這種發電機可以實現對風能和水能的收集，并長期為無線環境監測節點供電。摩擦納米發電機因為采用了獨特的弧形結構設計，在和流體相互作用時產生渦激振動從而實現流體能量到電能的轉化。此外，開發了以弧形摩擦納米發電機為電源的自供電無線環境監測系統，在真實河流中進行流體能量采集，并實現了對河流水質(pH值)以及環境滑坡的長期監測和預警。

【圖文導讀】

圖 1. 使用回收的牛奶盒制作的摩擦納米發電機

(a) 回收的牛奶盒示意圖;

(b) 牛奶盒外殼薄膜示意圖;

(c) 弧形摩擦納米發電機的結構剖面示意圖以及牛奶盒薄膜中PE聚合物表面納米線陣列電鏡圖；

(d) 弧形摩擦電納米發電機的結構示意圖；

(e) 回收的牛奶盒，處理后的牛奶盒薄膜以及弧形摩擦納米發電機的實物圖

(f) 由弧形摩擦納米發電機陣列供電的無線水質監測系統的示意圖。

圖2. 弧形摩擦電納米發電機的工作原理及分析

(a) COMSOL多物理場模擬的流體與器件作用時的流固耦合示意圖；

(b) COMSOL多物理場模擬的弧形彈性梁的固有頻率；

(c) ANSYS多物理場模擬碰撞時弧形彈性梁和L形梁的界面應力分布；

(d) 運動過程中的一個代表性位置的照片；

(e) 最大位移時的電荷分布；

(f) 最大位移時的電勢分布的仿真圖。

圖3. 不同風速下以及不同特征尺寸的弧形摩擦納米發電機的電學性能表征

(a) 不同長度L對應的器件在不同風速下的開路電壓圖；

(b) 不同長度L對應的器件在不同風速下的短路電流圖；

(c) 不同長度L對應的最大電壓和電流；

(d) 不同間距H對應的器件在不同風速下的開路電壓圖；

(e) 不同間距H對應的器件在不同風速下的短路電流圖；

(f) 不同間距H對應的最大電壓和電流；

(g) 最優的開路電壓和短路電流圖；

(h) 不同外部負載電阻下的輸出電壓和電流；

(I) 不同的外部負載電阻下的輸出功率。

圖4. 風力作用下弧形摩擦納米發電機的供能裝置及其應用

(a) 利用弧形摩擦納米發電機為無線傳感器供電的電路圖；

(b) 利用弧形摩擦電納米發電機驅動248盞LED燈；

(c) 無線水質監測系統的照片，該系統由一個無線pH傳感器節點、一個接收器、兩種不同pH值的溶液和兩個弧形摩擦納米發電機組成；

(d) 當pH值小于5時，水質監測系統發出警報。

圖5. 河流流體能驅動下的環境水質及滑坡監測應用示意

(a) 由弧形摩擦納米發電機陣列供電的無線滑坡預警系統示意圖；

(b) 弧形摩擦電納米發電機在河流中驅動480盞LED燈；

(c) 河流中由弧形摩擦電納米發電機陣列供電的無線水質監測；

(d) 由弧形摩擦電納米發電機陣列供電的滑坡預警監測。

【總結】

通過變廢為寶的方式使用回收的牛奶盒制作了一種新穎的、環境友好的和完全封裝的弧形摩擦納米發電機用于收集流體能量。更重要的是，通過弧形摩擦納米發電機驅動無線傳感網絡，并在真實河流中進行了流體能量采集，進而實現了長期環境監測的應用（水質監測和滑坡預警）。

文獻鏈接：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)

本文由材料人電子電工學術組Z. Chen供稿，材料牛整理編輯。

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