Nano Energy：从水环境监测到水波能量农场的自驱动摩擦纳米发电机浮球

【引言】

巨大的绿色能源：水能，存在于世界各个角落。目前对于水能的利用都是通过电磁感应发电机，将其转化为电能。由于电磁感应发电机的涡轮转化效率低、设备复杂、水腐蚀以及高昂的维修费，使得大部分水能没有得到充分的利用。最近基于摩擦起电和静电感应耦合的摩擦纳米发电机的出现解决了这一问题。摩擦纳米发电机结构简单、成本低廉、质量轻且材料选择范围宽，为水能的收集提供更加简便的途径。

就摩擦纳米发电机针对水能收集而言也存在着一些问题：水波频率低，方向任意，给摩擦纳米发电机施加的力有限，造成功率输出有限；以前的摩擦纳米发电机的外表面没有得到充分利用，使其在收集水能时，转化效率低下；长时间在水上，因水的渗入，容易造成发电机失效。因为这些问题的存在，研究人员开发出了一种三维高度对称的球形水基摩擦纳米发电机，充分利用球形结构的内外表面，使得该发电机内表面都可以收集能量；而且水的渗入，也不会造成发电机的失效，远远增加了发电机的寿命。

【成果简介】

近日，新加坡国立大学电气与计算机工程系Chengkuo Lee教授研究小组构建了一种三维高度对称的球形水基摩擦纳米发电机，该发电机可以收集各个方向水能。同时，也可以作为一种钓鱼传感器或者为其他传感器，如：水温、水污染传感器等提供能量。由于该发电机的适应性和拓展性，使得发电机可以连接起来，形成发电机网，打造水能农场。该成果以“Self-powered triboelectric nanogenerator buoy ball for applications ranging from environment monitoring to water wave energy farm”为题发表在Nano Energy上。

[致歉：很抱歉，未能找到通讯作者 Chengkuo Lee 的确切中文名字，小编表示诚挚的歉意！]

【图文导读】

图1. 球形水基摩擦纳米发电机的结构图

(a)  球形水基摩擦纳米发电机网络在水面的概念图；

(b)  球形水基摩擦纳米发电机的示意图；

(c)  球形水基摩擦纳米发电机的截面图；

(d)  内部含水的完整球形水基摩擦纳米发电机和半球形水基摩擦纳米发电机实物图；

(e)  不同器件层截面结构的放大图。

图2. 球形水基摩擦纳米发电机的工作原理

（a）  球形水基摩擦纳米发电机内层在振动下的工作原理；

（b）  球形水基摩擦纳米发电机内层在旋转下的工作原理；

（c）  球形水基摩擦纳米发电机外层在手掌触碰下的工作原理；

（d）  球形水基摩擦纳米发电机外层在上下振动时的工作原理；

（e）  球形水基摩擦纳米发电机在水表面来回滚动时的工作原理；

（f）  球形水基摩擦纳米发电机在水表面朝一个方向滚动的工作原理。

图3. 不同电介质材料输出性能表征

（a）  拥有不同电介质材料：PDMS、Kapton、PTFE的单电极式发电机的器件结构；

（b）  发电机在水箱中的工作机理；

（c）  发电机在不同电介质材料下的输出电压；

（d）  发电机在PDMS下的输出电压；

（e）  发电机在Kapton下的输出电压；

（f）  发电机在不同电介质材料下的输出电流；

（g）  发电机在PDMS下的输出电流；

（h）  发电机在Kapton下的输出电流。

图4. 球形水基摩擦纳米发电机的优化和器件特性

（a）  球形水基摩擦纳米发电机在振动和旋转下测试的示意图；

（b）  在3.5Hz振动频率下，不同体积水中，球形水基摩擦纳米发电机的输出电压；

（c）  在不同频率下，球形水基摩擦纳米发电机的输出电压和水体积的关系；

（d）  球形水基摩擦纳米发电机在不同振动频率下的输出电压；

（e）  球形水基摩擦纳米发电机在不同振动幅度下的输出电压；

（f）  球形水基摩擦纳米发电机在不同旋转频率下的输出电压；

（g）  球形水基摩擦纳米发电机在不同旋转直径下的输出电压；

（h）  球形水基摩擦纳米发电机振动时，内部电极产生的电流；

（i）   球形水基摩擦纳米发电机振动时，内部电极产生的电荷量。

图5. 球形水基摩擦纳米发电机在不同机械激发下的能量收集能力

（a）  球形水基摩擦纳米发电机在与x轴呈30^〫、45〫和60〫方向振动的示意图；

（b）  球形水基摩擦纳米发电机在与x轴呈30〫、45〫和60〫方向振动的电压输出；

（c）  球形水基摩擦纳米发电机在与x轴呈30〫、45〫和60〫方向振动的电流输出；

（d）  球形水基摩擦纳米发电机在旋转直径为1cm、3cm和5cm下的示意图；

（e）  球形水基摩擦纳米发电机在旋转直径为1cm、3cm和5cm下的电压输出；

（f）  球形水基摩擦纳米发电机在旋转直径为1cm、3cm和5cm下的电流输出；

（g）  球形水基摩擦纳米发电机绕中心轴水平和垂直方向旋转时的示意图；

（h）  球形水基摩擦纳米发电机绕中心轴水平和垂直方向旋转时的电压输出；

（i）   球形水基摩擦纳米发电机绕中心轴水平和垂直方向旋转时的电流输出；

（j）   球形水基摩擦纳米发电机快速和缓慢滚动时的示意图；

（k）  球形水基摩擦纳米发电机快速和缓慢滚动时的电压输出；

（l）   球形水基摩擦纳米发电机快速和缓慢滚动时的电流输出。

图6. 球形水基摩擦纳米发电机的水波能量收集

（a）  球形水基摩擦纳米发电机漂浮在水面上的示意图，插图为实体图；

（b）  四个单电极式水基发电机附在球形水基摩擦纳米发电机外壁上形成提高式球形水基摩擦纳米发电机的示意图，插图为实体图；

（c）  球形水基摩擦纳米发电机在0.15Hz水波激发下的电压输出；

（d）  提高式球形水基摩擦纳米发电机在0.15Hz水波激发下的电压输出；

（e）  提高式球形水基摩擦纳米发电机在连续水波激发下的电压输出；

（f）  在连续水波激发下，球形水基摩擦纳米发电机内外电极产生的电流输出；

（g）  在连续水波激发下，球形水基摩擦纳米发电机内外电极产生的电荷量；

（h）  球形水基摩擦纳米发电机的多个输出通道经并联整流后给电容充电；

（i）   球形水基摩擦纳米发电机给电容充电的电压输出曲线。

图7. 球形水基摩擦纳米发电机作为自驱动钓鱼传感器

（a）  球形水基摩擦纳米发电机作为钓鱼传感器漂浮在水面上的示意图；

（b）  球形水基摩擦纳米发电机在拉力下的测试设置图；

（c）  球形水基摩擦纳米发电机在水面上的实物图；

（d）  在静水面上球形水基摩擦纳米发电机电压输出和施加拉力大小的关系；

（e）  在静水面上，施加0.3N拉力下，球形水基摩擦纳米发电机电压输出；

（f）  在静水面上，施加0.85N拉力下，球形水基摩擦纳米发电机电压输出；

（g）  在波浪面上球形水基摩擦纳米发电机电压输出和施加拉力大小的关系；

（h）  在波浪面上，施加0.3N拉力下，球形水基摩擦纳米发电机电压输出；

（i）   在波浪面上，施加0.85N拉力下，球形水基摩擦纳米发电机电压输出。

【小结】

该团队为收集水波能量构建一种高度对称的三维球形水基摩擦纳米发电机。该发电机的内外壁均可以收集水能，提高了传统摩擦纳米发电机的转化效率。由于内壁疏水性材料的选择，即使水渗入发电机的内部，也不会使发电机失效，这增加了发电机的服役周期。同时可以将单个的三维球形水基摩擦纳米发电机集成化，构建发电机网，为未来打造水波能量农场提供了可行途径。因此，这种独特结构的纳米发电机为未来大范围水能收集奠定了坚实的基础。

文献链接：Self-powered triboelectric nanogenerator buoy ball for applications ranging from environment monitoring to water wave energy farm（Nano Energy，2017，DOI：10.1016/j.nanoen.2017.08.018）

本文由材料人编辑部高放编译，刘宇龙审核，点我加入材料人编辑部。

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