本文亮點：結合彈簧結構和多層結構的優點，制作了摩擦納米發電機（TENG）陣列，該陣列由四個球形TENG和彈簧輔助多層結構組成，用于收集水波能量。在水波的驅動下，這個TENG陣列產生15.97 mW的高輸出功率，展示了高效水波能量收集的能力。

能源在人類生活中扮演著非常重要的角色，現階段能源的消耗主要依賴于傳統化石能源，這是一種有限的、非可再生的能源。隨著化石能源的不斷開采和枯竭，迫切需要尋找一些新型的能源形式。海洋波浪能具有儲量豐富、受環境因素影響較小等優點，是潛在的能夠大規模應用的能源之一。但是，近幾十年世界各國對波浪能收集的探索大都基于傳統的電磁發電機，而電磁發電機因其自身的工作原理所限，難以有效收集這種低頻的、隨機的能源。

王中林院士于2012年首次提出基于摩擦起電和靜電感應效應的摩擦納米發電機，它利用麥克斯韋位移電流的機理，將周圍環境中的機械能轉化為電能。同時球形結構摩擦納米發電機因其具有質量輕、在水波中運動阻力小以及易于陣列化等諸多優點已經被用來收集水波能。但是在之前報道的工作中，還存在輸出電流較小等缺點，限制了它的實際應用。

近日，中國科學院北京納米能源與納米系統研究所王中林院士課題組（通訊作者）在國際頂級期刊 Advanced Functional Materials上發表 “Spherical Triboelectric Nanogenerators Based on Spring‐Assisted Multilayered Structurefor Efficient Water Wave Energy Harvesting”的論文。研究團隊首先結合彈簧輔助結構和球形結構的優點，并在一個球殼空間內集成多個基本發電單元形成多層結構，成功制備出耦合彈簧及多層結構的球形摩擦納米發電機，用于收集水波能。該球形摩擦納米發電機中每個發電單元的工作模式均為垂直接觸-分離模式。在真實水波實驗環境中，1.0 Hz的水波頻率，2.5 V的信號發生器輸出電壓幅值（對應于水波振幅）的水波沖擊下，其最大功率可達7.96 mW，輸出電流為120 μA。其次，進一步研究了不同水波頻率和不同水波振幅下，該摩擦納米發電機的電學輸出性能，發現其在1.0 Hz的水波頻率下能達到最大輸出值，能較好地適用于水波的低頻工作環境。然后，從球形摩擦發電機中所用的銅塊質量以及集成的發電單元數量兩個方面對其進行結構優化。最后，將四個優化后的球形摩擦納米發電機組成發電陣列，其輸出功率和輸出電流分別達到15.97 mW和225 μA，并成功驅動電子溫度計工作，測量水的實時溫度，顯示了該摩擦納米發電機在水波能大規模收集中的巨大潛力。

【圖文速遞】

圖1 a）具有漂浮在水面上的彈簧輔助多層結構的球形TENG的示意圖，以及具有五個基本單元的鋸齒形多層TENG的示意性表示放大結構。 b）制造的TENG裝置的照片。 c）球形TENG的每個TENG單元的工作原理。

圖2 a）典型的輸出電流，b）轉移的電荷，和c）在水波下具有五個單位的球形TENG的輸出電壓。 d）球形TENG裝置在水波下具有五個單元的平均電流峰值和平均功率峰值電阻關系。水波頻率，銅塊質量和函數發生器的輸出幅度分別為1.0Hz，100g和2.5V。

圖3 a）輸出電流，b）轉移電荷，c）輸出電壓，和d）在不同水波頻率下具有五個單位的球形TENG的輸出功率電阻曲線。銅塊質量和函數發生器的輸出幅度分別固定在100 g和2.5 V.

圖4 a）輸出電流，b）轉移電荷，c）輸出電壓，d）基于彈簧輔助多層結構的球形TENG輸出功率- 電阻關系，以及5個函數發生器輸出幅度不同的單位。水波頻率和銅塊質量分別固定為1.0 Hz和100 g。

圖5 銅塊質量對a）輸出電流，b）轉移電荷的影響，以及c）5個單位的球形TENG輸出功率電阻分布。 d）輸出電流，e）傳輸電荷，以及f）在銅塊質量為100 g時，多層結構中各種基本單元數量的輸出功率 - 電阻曲線。函數發生器的水波頻率和輸出幅度分別固定為1.0 Hz和2.5 V.

圖6 a）在水波運動下由TENG陣列照亮的數十個具有“TENG”圖案的LED的照片。b）整流輸出電流和c）TENG陣列在各種水波頻率下的輸出功率阻抗曲線。 d）通過對470μF的電容充電，在水波運動下由TENG陣列驅動的電子溫度計的照片。 e）TENG陣列在水波下對470μF電容器的充放電過程。 f）由TENG陣列充電的各種電容器的電壓。

研究人員設計并制造了一種基于彈簧輔助多層結構的球形TENG，用于收集水波能量。在水波觸發下，TENG依靠Al電極和FEP薄膜之間的接觸和分離工作。研究了由函數發生器控制的水波頻率和幅度對單球TENG器件輸出性能的影響。并且通過調整多層結構中銅塊的質量和基本單元數量可以進一步優化性能。該研究成功制備了一種用于有效收集水波能的球形摩擦納米發電機，通過結構設計與優化，其輸出電流和輸出功率較以往工作均有較大幅度提高，顯示了納米發電機在大規模收集水波能中的潛在應用價值。

 

來源：高分子科學前沿