密歇根州立大學曹長勇Nano Energy：新穎的多層級結構摩擦納米發電機（HS-TENG）實現更高性能海洋波浪能收集

研究背景：

隨著全球經濟的快速發展和人口的持續增加，生產和生活所需的能源不斷增加，面對化石燃料燃燒導致環境污染和氣候變化，綠色可再生能源的開發利用受到越來越多的重視。海洋波浪能儲量豐富，分布廣泛，并且不受時間、天氣和季節等環境因素的影響，是一種具有巨大發展前景的可再生清潔能源。然而，當前大多數收集海洋能的裝置主要依賴基于電磁發電機，其具有結構復雜、造價高、笨重、容易受海水腐蝕等缺點，更重要的是電磁發電不適合低頻率（<3Hz）的波浪能收集。

摩擦納米發電機（Triboelectric nanogenerator, TENG）提供了另一種將機械能轉換為電能的新方法。與傳統的電磁發電機相比，摩擦納米發電機具有質量輕、造價低、制備簡單的優點，并且在低頻下具有更高的能量轉換效率。在過去幾年中，研究人員已經設計了各式各樣的TENG用于海洋能量收集。其中，球殼結構由于其結構簡單，易于制造、質量輕、易于漂浮和低阻力，被廣泛用于開發海水波浪能量收集的納米發電機結構。然而，這些TENGs通常采用一個大球殼包覆一個小球，導致較低的空間利用率和能量收集效率。

成果簡介：

近日，美國密歇根州立大學曹長勇教授團隊設計了一款新穎的多層結構摩擦納米發電機(Hierarchically Structured Triboelectric nanogenerator, HS-TENG) 成功實現高性能的波浪能量收集和更高的裝置空間利用率。HS-TENG的設計受到一種玩具——俄羅斯套娃的啟發，是由一套大小不一的多層亞克力球殼嵌套組裝而成，層間有可自由滾動的PTFE小球。該團隊研究了球殼內的PTFE球的尺寸和數量對于納米發電機輸出性能的影響。然后，利用得到最佳設計參數進一步研究了HS-TENG在不同運動頻率、運動幅度以及不同傾角工況下收集能量的效率。實驗結果表明，這種新穎的HS-TENG達到了更高的空間利用率和能量轉換效率，其最大輸出功率是原來單球發電機（SB-TENG）的6.5倍。最后，該研究還實現了小尺度規模的網狀HS-TENG陣列（以3×3為例）來實現更大規模的波浪能收集實驗，該陣列可以輕松點亮數十盞LED燈，并且為電子溫度計供電。這項研究為進一步提高TENG性能提供了新的思路和方法，對未來摩擦納米發電機在藍色能源收集領域的發展奠定了基礎。

以上相關成果發表在國際著名能源期刊Nano Energy上。論文第一作者為美國密歇根州立大學博士后龐堯堃博士，通訊作者為密歇根州立大學曹長勇教授。美國佐治亞理工學院王中林院士和密歇根州立大學博士生Shoue Chen 和Yihang Chu為論文共同作者。

論文鏈接：

Y. Pang, S. Chen, Y. Chu, Z. L. Wang,C. Cao*.Matryoshka-inspired Hierarchically Structured Triboelectric Nanogenerators for Wave Energy Harvesting,?Nano Energy,?online, 2019. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104131

圖文導讀：

圖1.HS-TENG的設計結構和工作原理。（a）俄羅斯套娃玩具；（b）不同尺寸大小的發電機；（c）HS-TENG的結構示意圖；（d）HS-TENG的外殼以及內部的PTFE小球；（e）HS-TENG的工作原理；（f）TENG在開路狀態下的電勢分布仿真結果。

圖2.滾動小球直徑以及數量對發電機性能的影響。（a）不同尺寸的PTFE小球；（b, c）基于不同尺寸PTFE小球的摩擦納米發電機的開路電壓和短路電流；（d-h）在不同PTFE小球數量下，摩擦納米發電機的輸出性能（球殼直徑分別為50mm、60mm、70mm、80mm和100mm）;（i）不同直徑球殼中的PTFE小球的最佳匹配數量。

圖3 HS-TENG在不同的波浪振幅、方向和頻率下的輸出性能。（a）不同振幅測試示意圖；（b, c）HS-TENG在不同振幅下的開路電壓和轉移電荷量；（d）不同方向測試示意圖；（e, f）HS-TENG在不同方向下的開路電壓和轉移電荷量；（g）不同頻率測試示意圖；（h, i）HS-TENG在不同頻率下的開路電壓和轉移電荷量。

圖4. HS-TENG與SB-TENG性能對比。（a-c）HS-TENG和SB-TENG在不同位移幅度下的開路電壓，短路電流和轉移電荷量的對比；（d-f）HS-TENG和SB-TENG在不同頻率下的開路電壓，短路電流和轉移電荷量的對比；（g）HS-TENG和SB-TENG對一個2.2 μF電容充電對比；（h）HS-TENG和SB-TENG在不同電阻下的開路電壓和短路電流；（i）HS-TENG和SB-TENG的輸出功率對比。

圖5. HS-TENG收集水波能量及應用。基于HS-TENG的自驅動系統的（a）示意圖和（b）電路圖；（c）不同頻率下HS-TENG充電曲線；（d）不同電容的充電曲線；（e）利用HS-TENG為一個10μF的電容充電并驅動電子表。（f）HS-TENG穩定性測試。

圖6 HS-TENG網絡用于收集波浪能量。（a）漂浮在水面上的HS-TENG網絡；（b）HS-TENG網絡整流電路；（c）不同HS-TENG單元在水中的電流輸出；（d）3×3HS-TENG陣列；（e）HS-TENG網絡為一個100μF的電容充電并驅動溫度計；（f）在海洋中大面積的HS-TENG網絡用于藍色能源收集。

本文由美國密歇根州立大學曹長勇教授團隊供稿。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenVIP.