王中林院士/许亮研究员/段继周研究员《AM》：用于收集水流能和自驱动传感的结构化摩擦电表面

不同形式的水体流动广泛分布在河流、湖泊和海洋中，蕴含着巨大的能量，可作为大规模清洁能源或为小型环境设备原位供电。虽然基于电磁发电机的大型涡轮设备可以收集江河中的大尺度水流能量，但由于成本和可靠性等原因尚难以用于海洋中洋流能量的收集，另外也难以收集小尺度的水流能量。这些小尺度的水流能量是环境中分布式器件的重要潜在原位供能来源，可实现无需维护及无化学电池污染的自驱动系统，这一点对于难以使用其他电源（如光伏）的海洋水下环境尤为重要。因此，迫切需要开发可广泛适应于不同规模形式水流能量收集的技术。

摩擦纳米发电机（Triboelectric nanogenerator, TENG）可有效地将环境中的机械能转化为电能，且结构形式灵活多样。一些前期研究已经探讨了使用TENG收集水流能，例如基于叶片或旗状结构的器件，但仍面临器件结构复杂或者输出较低等问题，尤其是在水压环境下封装器件难以实现摩擦带电表面的有效分离，制约了器件性能的提升。如何从单向的水流中获取机械能转换为器件内部的结构运动以及避免封装器件的内部压力抑制结构运动等仍是亟待解决的难题。

近日，中科院北京纳米能源与系统研究所王中林/许亮课题组与中科院海洋研究所段继周课题组的研究团队提出了一种器件配对策略，通过配对的摩擦纳米发电机（Paired TENG, P-TENG）内部腔体的互通实现内部气体包的交换（Gas packet exchange）解决了封装器件内部压力平衡的问题，可实现内部结构在高压环境下的有效接触-分离运动，并实现两发电机的耦合动作。同时，基于涡激振动（Vortex-induced vibration, VIV）原理及刚柔耦合变形结构（Rigid-flexible coupling deformation mechanism）实现了对于水流能量的有效捕获。由于器件主体具有极薄的尺寸和小面积，通过器件的阵列化，可实现一种结构化摩擦电表面器件（Structured triboelectric surface, STS）。该器件具有极薄的柔性形态，通过不同规模的阵列化，可贴附于各种结构或独立的多通道框架上，实现不同形式和尺度的水流能量收集，满足从水下电站到自驱动器件的需求。相对光滑表面而言，结构化的摩擦电表面可以与单向流动的水流形成有效的相互作用并交换能量，从而有效从水流中捕获机械能并转换为内部结构的运动，并进一步通过TENG结构转换为电能。由于优异的结构设计，器件可以实现高性能的涡激振动发电。文中报道了在水流驱动下，主体层厚度为4.5mm的器件可实现高达57Hz的高频输出和1.59μC/s的高累积电荷输出，功率密度相较于已报道的水流能TENG器件提高了100倍以上。该器件可以附着于各种表面或独立应用于水流中，实现自驱动传感和水下发电，有望实现高性能水流能量利用和海洋水下环境应用。此外，该工作所提出的多种结构原理也为高环境压力器件、高频TENG器件的设计提供了通用策略和参考，丰富了TENG的器件形式。

该成果以“Rationally Structured Triboelectric Nanogenerator Arrays for Harvesting Water Current Energy and Self-powered Sensing”为题发表在近期的Advanced Materials上。通迅作者为许亮研究员、王中林院士及段继周研究员，第一作者为纳米能源所与青岛海洋所联合培养博士生邓子超。

图1 基本结构和工作原理。a-c）用于收集水流能量的结构化摩擦电表面示意图。d) 水流流过光滑表面和结构化摩擦电表面的比较。e) 单元的爆炸视图。f) 带有初始阻流体的STS模块示意图。g) 实际制备的STS的照片，比尺：20mm。h) TENG的工作原理。

图2 器件在水流中的工作机理及结构优化。a）水流中涡激振动示意图。b) 刚柔耦合变形机理示意图。c) 配对TENG之间的气体包交换。d) 配对TENG的协同运动状态照片。e) 气体包交换对于电荷输出的影响。f, g) 具有不同尺寸阻流体的器件的电荷输出。h-j) 具有不同阻流体截面的器件的电荷输出。

图3 器件在水流中的输出性能。a, b) 不同水流速度下单元的开路电压。c, d) 不同水流速度下单元的短路电流。e) 不同水流速度下单元的振动频率。f）不同水流速度下单元每秒累积的转移电荷量。g, h) 输出频率和每秒累积转移电荷量的比较。i) 对电容器的充电性能。j) 不同外部负载下单元的输出电流和功率。k) 功率密度的比较。l) 器件的耐久性测试结果。

图4 器件应用展示。a) 水下发电站示意图。b) STS模块点亮50个LED的照片。c) 自驱动流速传感。d) 为电子设备供电的电路图。e, f) STS模块在水流驱动下持续为温度计供电的照片及存储电容器的电压曲线。

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原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202205064

来源：高分子科学前沿

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