王中林院士Nano Energy：串列圓盤式納米發電機實現“藍色能源”器件性能新突破

【引言】

水是生命之源，是生物體最主要的成分之一。地球表面約70%的面積都被水覆蓋，水深刻影響著地球的天氣系統、地表形態等。水污染是當今人類面臨的最嚴重的環境問題之一。為了有效檢測、分析和控制水污染，需要開發能夠原位實時工作的水質檢測系統。其中，提供低成本和可持續的電力供應是一個亟待解決的關鍵問題。太陽能電池是目前的主要解決方案之一，但是其性能受天氣、晝夜交替等因素強烈影響。王中林院士于2012年提出的摩擦納米發電機（Triboelectric nanogenerator,?TENG）為解決這個問題提供了新的思路。摩擦納米發電機具有重量輕、材料選擇豐富、結構靈活、易于制造、成本低等優點。它可以有效收集低頻的機械能，因此可以用于收集水體本身蘊含的豐富機械能—波浪能，并進行供電。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，可以為包括水質監測系統在內的各種海洋設備提供電能供給，并且有可能實現一種清潔可再生的優質能源。

【成果簡介】

近日，在中科院北京納米能源與系統研究所王中林院士（通迅作者）的指導下，博士生白鈺、許亮副研究員、賀川副教授（共同一作）等人提出了一種可擴展的串列圓盤式摩擦納米發電機（Tandem disk triboelectric nanogenerator,?TD-TENG），實現了高性能的波浪能收集，并應用于自驅動水質監測。一般而言，旋轉圓盤柵格結構是一種高性能的TENG結構設計，可以將低頻的機械驅動轉化為高頻的電能輸出，但此結構由于盤間較大的摩擦力而難以應用于低頻波浪能收集等場合。在此項工作中，研究團隊采用了一種易于實現的表面結構，在保證摩擦起電性能的同時有效降低了摩擦阻力，使得器件能夠很好響應低頻的波浪驅動，并極大提升了器件的耐久性。采用串列結構設計可在單個器件中集成多個圓盤柵格單元，通過擺式結構可有效吸收波浪的低頻機械能，并輸出高頻的電能，實現了“藍色能源”器件性能的新突破。在0.58 Hz的低頻波浪驅動下，最大峰值功率和平均功率分別達到了45.0 mW和7.5 mW，大約是典型球殼結構器件的35倍和24倍，TENG核心結構的最大平均功率密度也達到了7.3?W m^-3。此外，基于器件的高頻輸出，通過簡單的電源管理電路，可將短路電流提升到11 mA，相比已報道的數十或者數百微安級別的電流有了很大的提升。該研究還展示了基于該器件構建的自驅動水中溶解固體總量（Total dissolved solids,?TDS）測試系統，單個TENG器件即可驅動能耗較大的TDS傳感器。該自驅動水質監測系統可進一步擴展成網絡，用于大面積海域的實時原位水質分布及演化的監控。該工作展示了通過收集周圍水體能量實現各種自驅動免維護的海洋傳感平臺的廣闊前景，為智慧海洋、環境保護等領域提供了一種基礎支撐技術。

?【圖文導讀】

圖1?器件結構和工作原理

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a) 自驅動水質監測系統示意圖。b) TD-TENG總體結構。c) TD-TENG的側視圖和正視圖。d) TD-TENG的材料構成。e) 定子和轉子的照片以及SEM圖像。f) TENG單元的工作原理。

圖2?相對旋轉運動下TD-TENG的電學輸出

a) 轉子和定子的運動狀態示意圖。b, c) 集成不同數量的TENG單元時，器件的(b)短路電流和(c)轉移電荷量。d-f)一個周期內TD-TENG的(d)開路電壓、(e)短路電流和(f)轉移電荷量。(b-f) 的測試條件為幅值30 mm和頻率0.75 Hz。g) TD-TENG在不同頻率下的輸出。h) TD-TENG在不同幅值下的輸出。

圖3?轉子自由擺動時TD-TENG的電學輸出

a) 轉子和定子的運動狀態示意圖。b-e) TD-TENG的轉子和定子在不同幅值下的(b, c, d)電學輸出和(e)相對角位移。f-i) TD-TENG的轉子和定子在不同頻率下的(f, g, h)電學輸出和(i)相對角位移。j) TD-TENG在各種負載下的峰值電流、峰值功率和平均功率。k) TD-TENG給不同電容器充電的性能。

圖4?TD-TENG網絡在水中的優化

a, b) 水中連接的TD-TENG的示意圖。c) TD-TENG在水中的工作原理。d) 在各種水波頻率下，采用不同連接位置的TD-TENG的短路電流。e) 在各種水波頻率下，采用不同底部質量塊的TD-TENG的短路電流。

圖5?水中TD-TENG的電學輸出。

a-c) TD-TENG在水中的(a)開路電壓、(b)短路電流和(c)轉移電荷量。d) TD-TENG在水波驅動下給不同電容器充電的性能。e) 不同負載下，TD-TENG的峰值電流、峰值功率和平均功率。f) TD-TENG在水波驅動下點亮600盞LED燈。波浪頻率為0.58Hz。

圖6?TD-TENG電源管理及自驅動水質監測

a) TD-TENG為電子設備供電的電路圖。b, c) TD-TENG經過變壓后的(b)開路電壓和(c)短路電流。d) 有無變壓時，TD-TENG的開路電壓和短路電流的對比。e) 有無變壓時，TD-TENG給電容充電的電壓變化對比。f) TD-TENG驅動TDS傳感器的照片。放大的圖片為實際的電源管理電路。g) 由TD-TENG驅動TDS傳感器的電容電壓曲線。h) 自驅動的原位水質分布監測的示意圖。插圖為陣列的俯視圖。波浪頻率為0.58 Hz。

【小結】

這項工作中，研究團隊提出了一種可擴展的擺式串列圓盤摩擦納米發電機，用于水波能收集，在優化摩擦表面結構的基礎上，實現了低頻機械驅動下的高頻電學輸出。在0.58 Hz低頻水波驅動下，最大峰值功率和平均功率分別達到45.0 mW和7.5 mW，核心器件的平均功率密度達到7.3?W m^-3，實現了“藍色能源”器件性能的新突破。同時，通過電源管理可將輸出電流提升至11 mA，并應用于自驅動水質監測。該工作展示了通過收集周圍水體能量實現各種自驅動免維護的海洋傳感平臺的廣闊前景，為智慧海洋、環境保護等領域提供了一種基礎支撐技術。

文獻鏈接：High-performance triboelectric nanogenerators for self-powered, in-situ and real-time water quality mapping?(Nano Energy, 2019, DOI:?10.1016/j.nanoen.2019.104117, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285519308249)

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)

Macroscopic self-assembly network of encapsulated high-performance triboelectric nanogenerators for water wave energy harvesting ?(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285519302496)

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

本文由中科院北京納米能源與系統研究所王中林院士團隊供稿。

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