【引言】

準(zhǔn)確預(yù)測(cè)波浪信息對(duì)海洋工程建設(shè)、海洋資源開(kāi)發(fā)利用、環(huán)境保護(hù)、海上安全和海洋災(zāi)害預(yù)警至關(guān)重要。為了提高智能海工裝備的環(huán)境感知能力，開(kāi)發(fā)出高靈敏度波浪傳感器以監(jiān)測(cè)海浪與海上平臺(tái)、船舶等海洋設(shè)備之間的相互作用非常重要。最近，基于摩擦起電效應(yīng)和靜電感應(yīng)耦合的摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG) 用于能量收集和自驅(qū)動(dòng)傳感器已經(jīng)成為一種強(qiáng)大的技術(shù)。作為最重要的TENG類(lèi)型之一，基于液-固界面的TENG可用于收集水波能量和其他應(yīng)用，例如自供電pH計(jì)、濃度或壓力傳感器。研究人員提出并探索了一系列用于收集水波能量和傳感的液固界面摩擦納米發(fā)電機(jī)(LS-TENG)，可收集由液-固界面產(chǎn)生的靜電能。此外，還研究了類(lèi)似浮標(biāo)的LS-TENG和水槽式LS-TENG，以有效地收集水波能量。U形LS-TENG作為自供電多功能傳感器，其中復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)可以轉(zhuǎn)化成壓力和電信號(hào)。因此，液-固界面摩擦納米發(fā)電機(jī)具有很大的潛力，可用作智能海工裝備的高靈敏度波浪傳感器。

【成果簡(jiǎn)介】

近日，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院王中林院士(通訊作者)等提出并系統(tǒng)地探究了一種基于液固界面摩擦納米發(fā)電機(jī)的高靈敏度波浪傳感器，并在Nano Energy上發(fā)表了題為“A highly-sensitive wave sensor based on liquid-solid interfacing triboelectric nanogenerator for smart marine equipment”的研究論文。上述波浪傳感器由銅電極、覆蓋具有微結(jié)構(gòu)表面的聚四氟乙烯膜制成。作者系統(tǒng)地研究了傳感器基底、波高、頻率和鹽度對(duì)波浪傳感器輸出性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，輸出電壓隨波浪高度呈線(xiàn)性增加。電極寬度為10 mm的波浪傳感器，靈敏度為23.5 mV/mm，意味著波浪傳感器可以感知毫米范圍內(nèi)的波高。此外，通過(guò)加寬電極和/或增強(qiáng)表面疏水性可以進(jìn)一步提高靈敏度。在波浪水槽中，波浪傳感器成功地用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模擬海上平臺(tái)周?chē)牟ɡ诵畔ⅰＲ虼耍滦筒ɡ藗鞲衅饔型糜谥悄芎９ぱb備周?chē)牟ɡ诵畔⒈O(jiān)測(cè)。

【圖文簡(jiǎn)介】

圖1 高靈敏度波浪傳感器(WS-TENG)的設(shè)計(jì)示意圖

a) 用于監(jiān)測(cè)海工裝備周?chē)ɡ说腤S-TENG示意圖；
b) WS-TENG的設(shè)計(jì)示意圖，內(nèi)插是經(jīng)處理后具有微觀結(jié)構(gòu)的PTFE表面的SEM圖像以及原始PTFE和經(jīng)處理的PTFE的接觸角測(cè)量圖像。

圖2 WS-TENG的工作原理

a) 水與WS-TENG的PTFE表面形成的雙電層示意圖；
b) WS-TENG的工作原理和不同階段的電荷分布。

圖3 基底、波高和頻率對(duì)WS-TENG輸出電壓的影響

a) 兩種類(lèi)型基底(即亞克力板和矩形亞克力管)的WS-TENG輸出特性實(shí)驗(yàn)；
b) 附著在具有不同厚度亞克力板和亞克力管上的WS-TENG輸出電壓；
c) 在電極寬度為10 mm，H=10-80 mm和f=0.6 Hz條件下測(cè)量的WS-TENG的輸出電壓；
d) 電壓峰值與波浪高度(w= 5、10和20 mm)之間的關(guān)系；
e) 在電極寬度為10 mm，f=0.6-1.2 Hz的不同頻率條件下測(cè)量的輸出電壓；
f) H=10-80 mm下波浪頻率對(duì)電壓峰值的影響。

圖4 鹽度對(duì)WS-TENG輸出電壓和靈敏度的影響

a) H = 10 mm、水溶液鹽度(C)為0-35 mg·mL^-1 時(shí)，WS-TENG的輸出電壓；
b) 鹽度對(duì)輸出電壓峰值的影響；
c) 鹽度為35 mg·mL^-1、H=10-80 mm、f=0.6 Hz時(shí)，在水中測(cè)量的輸出電壓；
d) 鹽度為0-35 mg·mL^-1時(shí)電壓峰值與波高之間的關(guān)系；
e) 鹽度對(duì)WS-TENG靈敏度的影響；
f) 鹽度為35 mg·mL^-1時(shí)，WS-TENG的3天長(zhǎng)效測(cè)試。

圖5 WS-TENG在智慧海工裝備表面的應(yīng)用

a) 從WS-TENG獲得的波浪監(jiān)測(cè)信號(hào)的過(guò)程；
b) WS-TENG監(jiān)測(cè)海洋平臺(tái)周?chē)牟ɡ耍?br>c) 從WS-TENG獲得的瞬時(shí)波浪高度值；
d) 一個(gè)周期內(nèi)水波的四個(gè)瞬時(shí)狀態(tài)圖像。

【小結(jié)】

綜上所述，作者提出并研究了一種基于液-固界面摩擦納米發(fā)電機(jī)的高靈敏度波浪傳感器。波浪傳感器由覆蓋具有微結(jié)構(gòu)表面PTFE薄膜的Cu感應(yīng)電極制成。實(shí)驗(yàn)研究了波浪傳感器基底、波高、頻率和鹽度對(duì)WS-TENG輸出性能的影響。作者發(fā)現(xiàn)WS-TENG的輸出電壓峰值隨波高線(xiàn)性變化。電極寬度為10 mm的WS-TENG的靈敏度為0.023 V/mm，這表明該新型傳感器可以感應(yīng)毫米范圍內(nèi)的波高。通過(guò)加寬電極和/或增強(qiáng)PTFE材料表面疏水性，可以進(jìn)一步提高靈敏度。相反，WS-TENG的輸出電壓峰值與波頻率無(wú)關(guān)。此外，當(dāng)水的鹽度從0增加到0.035 g·mL^-1時(shí)，輸出電壓會(huì)急劇下降，這可能是由于高離子濃度降低了電極中的感應(yīng)電荷。值得注意的是，WS-TENG的輸出電壓與波高之間的線(xiàn)性關(guān)系在不同的鹽度下仍然有效。在波浪水槽中，波浪傳感器成功用于監(jiān)測(cè)海上平臺(tái)周?chē)牟ɡ诵畔ⅰＲ虼耍撔滦筒ɡ藗鞲衅骶哂懈哽`敏度監(jiān)測(cè)智能海工裝備周?chē)ɡ说木薮髢?yōu)勢(shì)。

文獻(xiàn)鏈接：A highly-sensitive wave sensor based on liquid-solid interfacing triboelectric nanogenerator for smart marine equipment (Nano Energy, 2018, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.12.041)