王中林院士Nano Energy：自組裝波浪能收集網絡刷新平均功率記錄

【引言】

海洋約占地球表面積的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、溫差能及鹽差能等五種形式存在。據估計，其中僅波浪能一項，世界范圍內的總儲量即可達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，但仍缺乏大規模的商業開發應用，主要挑戰在于設備的成本和可靠性。目前基于電磁發電機的實驗裝置通常需要復雜的機械結構來捕獲波浪并轉換為高度規則的運動以驅動發電機工作，因此它們通常體積龐大、成本高并且在嚴酷的海洋環境中易受破壞。

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，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、易于制造、成本低、器件結構靈活等諸多優點。采用TENG及其網絡收集波浪能的概念最早由王中林院士于2014年提出，通過TENG將不規則的低頻波浪運動轉化為電能，并基于大規模的TENG網絡收集大面積海域的波浪能量，將可能成為一種非常有前景的波浪能量收集技術方案。

在TENG網絡研究中，單元性能提升及網絡設計是兩個重要基本問題。對于單元性能，需要進一步提升器件的輸出功率，一般較多采用的峰值功率指標并不能完全反映器件的持續輸出性能，相比而言，平均功率是衡量器件性能的一個更準確的指標，也更難以取得提升。網絡連接是大規模TENG網絡研究的另一個關鍵問題，由于在海洋中的實際應用可能涉及數萬個單元，其構建和維護都具有相當的復雜性，與此同時，網絡結構也會受到一些極端海洋天氣的威脅，例如風暴，這些極端環境極易破壞海洋中的大型結構物，另外，通過繩纜或類似的連接裝置也可能在長期運行存在疲勞失效問題。因此，網絡設計需要能解決這些挑戰。

自組裝涉及到使基本單元自發形成有序結構和模式的過程，這是一種可在從分子體系到大規模天氣系統等不同尺度上廣泛觀察到的自然現象。作為分子或納米尺度的一種有效的合成方法，它吸引了來自化學、生物學和材料科學等多個學科的越來越多的研究興趣。在介觀或宏觀尺度上，也提出了一些模仿微尺度體系的高度自治系統，例如導電網絡、機器人系統等。原理上，自組裝提供了用于構建包含大量簡單元素而無需人為干預的有序復雜結構的通用策略，并且該系統通常由于組裝的可逆性而具有自我修復的特征。這些特性對于海洋中的大規模TENG網絡的構建是非常必要的。采用自組裝作為聯網策略，將有望實現在水中自我組裝構建成網、自我修復、自我管理的自治網絡，從而大大降低建設和管理的復雜度和成本，更好地適應嚴酷復雜的海洋環境，提高了裝置在極端海洋環境下的生存能力和可靠性。而如何設計一種具有自組裝能力，同時能保持能量收集性能的網絡是一項挑戰。

【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一種基于高性能摩擦納米發電機單元的自組裝波浪能收集網絡，實現了發電機網絡性能的重要突破。在單元設計上，研究團隊設計了一種3D電極結構，采用大量的FEP小球顆粒作為摩擦材料填入到3D電極中，在水波的驅動下基于自由摩擦層模式發電機原理，將機械能轉化為電能，這種結構極大改善了摩擦面積并且增強了靜電感應效應，同時也具有很好的低頻響應特性。對于封裝直徑8cm的單個球形TENG，其輸出的轉移電荷量可達520nC以上，規則激勵下的峰值功率可達8.75mW，平均功率可達2.33mW，水波驅動下的平均功率達到0.55mW，其相應的規則激勵下的峰值功率密度為32.6W/m³，平均功率密度為8.69W/m³，水波中的平均功率密度為2.05W/m³，達到殼球結構TENG的平均功率的18倍以上，刷新了球形TENG波浪能收集器件的平均功率記錄。構建了一個包括18個TENG單元的示范網絡，可以有效收集水波能，實現了9.89mW的平均功率，可用于自驅動傳感和無線信號傳輸。

在網絡連接方面，設計了一種自適應磁性節點（Self-adaptive magnetic joint, SAM-joint）以實現自組裝，該磁性連接節點基于一種可旋轉的嵌套磁球結構，實現了磁球的接近-磁極自動旋轉配對-吸附的過程，解決了固定磁極吸附存在的吸附錯位及磁極不配對等難題，實現了高度可靠的單元組裝。為了在保持網絡構型的同時實現能量收集，在吸附節點上引入了限位塊設計，實現了各向異性的運動自由度約束，使得連接節點在水平面內的運動受到約束，可以保持網絡構型，而在豎直平面內可以相對轉動，進行波浪能收集。通過對球形TENG單元配置不同的磁性節點數量和位置等幾何信息，可以實現不同的自組裝網絡結構，例如線形結構、空心六邊形網格、四邊形網格、密排六邊形網格等結構形式。通過實驗也驗證了該網絡自我修復破壞以及可重構的能力，因而實現了自組裝、自修復、可重構的摩擦納米發電機網絡。這些特征極大地增強了摩擦納米發電機網絡的自治能力和結構可靠性，便于大規模網絡的構造和維護，將有可能成為摩擦納米發電機網絡實現實際應用的一個重要基礎技術。該方法還將有可能應用于其他大型海洋結構的建造。相關成果以“Macroscopic Self-Assembly Network of Encapsulated High-Performance Triboelectric Nanogenerators for Water Wave Energy Harvesting”為題發表在Nano Energy上。

【圖文導讀】

圖1?結構設計和工作原理

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a) 網絡的自組裝、自修復和可重構示意圖；

b) TENG單元的結構示意圖；

c-e) 3D電極球(c)，TENG單元(d)和水中自組裝TENG網絡(e)的照片；

f) TENG的基本工作原理。

圖2?TENG單元的電輸出性能

a, b) 兩種激勵模式的示意圖；

c) 平移正弦激勵下，不同位移長度下的轉移電荷量；

d, e) 平移正弦激勵頻率對于轉移電荷(d)和短路電流(e)的影響；

f) 不同平移沖擊激勵加速度下的轉移電荷量；

g) 不同FEP顆粒填充量對轉移電荷和峰值短路電流的影響（插圖：短路電流曲線）；

h) 輸出功率和峰值電流與負載電阻的關系；

i, j) 俯仰正弦激勵下，位移角度對轉移電荷(i)和短路電流(j)的影響；

k) 俯仰正弦激勵頻率對于轉移電荷量的影響。

圖3?自適應磁性節點的工作原理

a) 兩個自適應磁性連接節點（SAM-joint）的自調整和吸附過程的示意圖和照片（無限位塊）；

b) 不同距離下的兩個節點的吸引力（插圖：節點結構和吸引力示意圖）；

c) 基于COMSOL數值計算得到的兩個節點的吸引力；

d, e) 連接節點的工作示意圖，僅允許TENG單元在垂直方向上相對轉動，收集波浪能，而在水平方向上限制相對運動，保持網絡構形。

圖4?網絡的自組裝和自修復行為

a-c) 兩節點單元(a)，三節點單元(b)和四節點單元(c)的自組裝模塊和自組裝TENG網絡的理論結構示意圖；

d-g) 在水波驅動下，兩節點單元(d)，三節點單元(e, f)和四節點單元(g)的典型自組裝網絡的照片；

h) 網絡在水中自修復過程的照片。

圖5?自組裝TENG網絡在水波中的能量收集性能和應用演示

a) TENG網絡的水波驅動示意圖；

b) 網絡的電路連接示意圖；

c, d) 自組裝TENG網絡在水波驅動下的短路電流（整流）(c)和轉移電荷量(d)；

e, f) 在水波驅動下，自組裝TENG網絡的峰值電流、峰值功率(e)和平均功率(f)與負載電阻的關系；

g) 水波驅動下，自組裝TENG網絡點亮300個LED的照片；

h) 自組裝TENG網絡對不同電容器的充電性能；

i, j) 自組裝TENG網絡驅動下的電容器給溫度計(i)和無線發射器(j)供電的充電-放電曲線（插圖：由自組裝TENG網絡供電的自驅動溫度采集）；

k) 自組裝TENG網絡為無線發射器供電的照片。

【小結】

這項工作中，研究團隊提出了一種基于封裝的高性能單元的自組裝、自修復和可重構的TENG網絡，應用于海洋波浪能收集。通過3D電極結構設計，大幅提升了單個TENG器件的性能，實現了規則激勵下的峰值功率密度32.6W/m³，平均功率密度8.69W/m³，刷新了球形TENG波浪能收集的平均功率記錄。通過設計一種自適應磁性連接節點，在保持波浪能收集性能的同時，實現了TENG單元自組裝形成網絡，并可以通過連接節點的數量和位置調控網絡形態。該TENG網絡還展示了自我修復破壞和可重構的性能，其高度自治能力極大地增強了TENG網絡作為海洋結構的可靠性，便于構造和維護。該研究展示了自組裝網絡可作為波浪能收集的一種新穎有效的技術方案，有可能為大規模摩擦納米發電機網絡的開發應用鋪平道路，為實現藍色能源夢，向人類社會提供取之不盡的可再生和清潔能源做出貢獻。

文獻鏈接：Macroscopic Self-Assembly Network of Encapsulated High-Performance Triboelectric Nanogenerators for Water Wave Energy Harvesting?(Nano Energy, 2019, DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.03.054)

【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（Citation?Laureates）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，也是此年度該獎項唯一的華人獲獎者。2017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。2018年，王中林院士獲得被譽為世界能源領域“諾貝爾獎”的埃尼獎（Eni Award）。

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余項專利、7本專著和20余本編輯書籍和會議文集。他是Nano Energy 的發刊主編和現任主編。

楊曉丹、許亮（共同一作）等為中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士研究組成員。

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：

Catch wave power in floating nets??(http://www.nature.com/news/catch-wave-power-in-floating-nets-1.21426)

Coupled triboelectric nanogenerator networks for efficient water wave energy harvesting?(https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/abs/10.1021/acsnano.7b08674)

Integrated triboelectric nanogenerator array based on air-driven membrane?structures for water wave energy harvesting??(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285516305316)

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團隊供稿，材料人編輯部Alisa編輯。

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