中国科学院纳米能源所王中林院士团队IM研究论文：基于双螺旋折纸结构的高性能摩擦纳米发电机用于海洋环境中持续信号监测和传输

本文来源于Interdisciplinary Materials， 欢迎浏览！

论文信息

摘要

随着人工智能、物联网、大数据、机器人和新型材料等新兴技术的快速发展，全球海洋科学技术领域正在经历重大变革。摩擦纳米发电机（TENGs）是一种尖端技术，能够将这种随机且超低频的能量转化为海洋能。中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士团队设计了一种集成双螺旋折纸结构的高性能TENG，以实现在海洋环境中的连续传感和信号传输。将双螺旋折纸结构整合到TENG系统中，可将低频水波振动转换为高频运动，实现了从海浪中高效地收集能量。在0.8 Hz的水波触发下，TENG产生了55.4 W m⁻³的最大峰值功率密度，而由六个单元组成的TENG阵列可以产生375.2 μA的输出电流，电流密度为468.8 mA m⁻³。经功率管理后，TENG阵列无需外部电源即可有效地为无线水质检测器持续供电并传输信号。这些发现为面相海洋应用的可持续、可再生能源技术的发展做出了贡献，并为能源收集领域中先进材料和结构的设计开辟了新的途径。

研究概述

水质监测在保障整个水生环境、控制污染以及维持水生态系统健康方面起着至关重要的作用。传统的近海水质监测方法依赖于人工采样和监测，但受到复杂的天气状况和海洋环境的影响，效率低下，实时性能差，监测范围有限。随着物联网（IoT）技术和海洋工程的进步，智能海洋传感器逐渐兴起，这些传感器包括基于浮标的检测、卫星检测、空中检测和无人水面船只检测，为海洋水质环境和水动力特性研究提供了数据支持。然而，海洋环境监测往往需要长时间的持续监控，并且存在电池回收和更换的难题，因此亟需开发低功耗的智能传感器以实现可持续监测。随着可再生能源利用的需求日益增加，海洋波浪能因其储量丰富、环境依赖性小而成为最清洁、最具应用潜力的可再生能源之一。但由于资源限制和缺乏有效的能量收集技术，波浪能尚未得到充分利用。现有的电磁发电机（EMG）在低频环境下效率不高，且成本高、易腐蚀。因此，开发一种轻便、高效的技术以收集波浪能具有重要意义。TENG自2012年被发明以来，以其卓越的性能受到了广泛关注。TENG能够将环境机械能转化为电能，具有高功率密度、高效率和低成本的优点，特别是在低频波浪能量收集方面表现突出。尽管已开发出多个TENG结构用于水波能量收集，但许多现有设备的性能受限于水波的低频特性，离实现商业化还有一段距离。

本文提出的双螺旋折纸结构的摩擦纳米发电机（D-Z-shaped TENG）是一种创新的能源收集装置，它能够在海洋环境中捕获波浪能并将其转换为电能。这种结构设计巧妙，利用了折纸艺术中的双螺旋和锯齿形状，使得装置能够在低频的水波振动中高效地产生电能。D-Z-shaped TENG的核心在于其能够将低频的海浪运动转换为装置的高频运动，从而显著提高了能量转换效率。研究团队通过实验验证了D-Z-shaped TENG在模拟水波条件下的性能。结果显示，在0.8 Hz的触发频率下，单个TENG单元能够产生高达55.4 W m−3的峰值功率密度。将六个这样的单元组合成一个阵列时，它们可以产生375.2 μA的电流，这证明了该阵列有能力为无线水质检测器等海洋传感器提供持续的电力支持。

文章中还展示了D-Z-shaped TENG在实际海洋环境中的应用潜力。通过与无线水质检测器的集成，该TENG阵列能够在没有外部电源的情况下，持续监测水质并将数据传输到移动设备上。这一成果不仅展示了TENG在海洋能收集方面的高效性，也证明了其在支持海洋技术发展方面的实用性。此外，文章还探讨了D-Z-shaped TENG在不同波浪频率和波高下的性能变化，以及如何通过调整TENG阵列的配置来优化能量输出。研究结果表明，水平配置的TENG阵列相比于垂直配置能够产生更高的平均功率密度，这为未来TENG阵列的设计提供了重要的参考。总的来说，这项研究不仅提出了一种新型的海洋波浪能收集装置，还展示了其在实际海洋监测中的应用前景。D-Z-shaped TENG的成功开发为海洋可再生能源的利用和海洋环境监测技术的进步提供了新的可能性。

图1 D-Z型摩擦纳米发电机的应用场景和结构。A) D-Z型TENG应用于智能海洋的概念示意图。B) D-Z型TENG的结构示意图，C) D-Z型TENG的局部结构示意图：一片由FEP层、铜层、Kapton层、铜层和FEP层组成；另一片由尼龙层、铜层、Kapton层、铜层和尼龙层组成。

图2 D-Z型TENGs的电学输出。A) 不同频率下不同长度的折纸条带的D-Z型TENGs的输出电压，B) 输出电流，以及C) 转移电荷。D-F) 在不同频率下，具有60 cm折纸长度的D-Z型TENGs的电压、电流和电荷曲线。G) 不同频率下，不同条带连接方法对D-Z型TENGs的输出电压，H) 输出电流，以及I)转移电荷的影响。

图3 水波频率和波高对D-Z型TENG电输出的影响。A-C) 在波高为14 cm的不同水波频率下，D-Z型TENG的电输出性能，包括输出电压、输出电流和转移电荷。D-F) 在不同波高下D-Z型TENG的电学输出，包括输出电压、输出电流和转移电荷。G) 描述D-Z型TENG工作状态的示意图。H) 在水波频率为0.8 Hz时，D-Z型TENG的峰值电流、峰值功率密度和平均功率密度与负载电阻的关系。I) 在连续测量10,000个周期下的电流变化。

图4. D-Z型TENG阵列的电输出性能。A-B) D-Z型TENG阵列在水平和垂直配置下的结构示意图。C) 在水波频率为0.8 Hz时，水平和垂直的D-Z型TENG阵列的平均功率密度比较。D) 在水波频率为0.8 Hz时，水平TENG阵列的峰值电流和峰值功率密度与负载电阻的关系。E) 垂直TENG阵列的峰值电流和峰值功率密度。F-G) 在水波率为0.8 Hz时，单个D-Z型TENG、水平阵列和垂直阵列之间的输出性能比较，包括输出电流和电压。H) 水平阵列和垂直阵列在有无PMC的情况下，对150 μF和200 μF电容器的充电电压比较。I) 水平D-Z型TENG阵列对各种电容器的充电电压曲线。

图5. D-Z型TENG在波浪能收集中的应用演示。A) 使用D-Z型TENG驱动传感模块并无线传输信号的流程图。B) 输出管理电路和超低功耗放电管理电路的电路图，用于为电子设备供电。C) 通过集成两个PMC模块的D-Z型TENGs为温湿度计充电和放电的过程。D) 温湿度计工作时Cout上的充电电压曲线的放大图。E) 通过功率管理的D-Z型TENG为CWQD充电和放电的过程。F) 8 mAh锂离子电池在其充电和放电过程中的电压曲线，以及功率管理的D-Z型TENG在水波中为ZWWQD供电的电压。G) 通过水波驱动的D-Z型TENG实现无线传输的模拟测试照片。

期刊简介

Interdisciplinary Materials（交叉学科材料）是由Wiley出版集团与武汉理工大学联合创办的开放获取式高水平学术期刊。主编为张清杰院士和傅正义院士。30位国际杰出学者和45位两院院士作为期刊的编辑委员会委员。Interdisciplinary Materials 是国际上聚焦材料与其它学科交叉前沿发起出版的首本“交叉学科材料”领域高水平期刊，旨在发表材料学科与物理、化学、数学、力学、生物、能源、环境、信息等学科交叉研究的最新成果。

点击投稿