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於傳統化石能源, 這是一種有限的, 非可再生的能源. 隨著化石能源的不斷開採和枯竭, 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於傳統的電磁發電機, 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, 隨機的能源.
中國科學院外籍院士, 中國科學院北京納米能源與系統研究所所長, 喬治亞理工學院校董教授王中林於2012年首次提出基於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於陣列化等諸多優點已經被用來收集水波能. 但是在之前研發工作中, 這種球型摩擦納米發電機還存在輸出電流較小等缺點, 限制了它的實際應用.
近日, 在王中林指導下, 碩士生肖天笑, 梁茜和副研究員蔣濤等人組成的研究團隊通過耦合彈簧及多層結構製備了一種可以高效收集水波能的球形摩擦納米發電機, 在每個球殼空間內整合多個基本發電單元形成多層結構. 發電機在輸出電流和功率上均有很大的提高, 單球的電流輸出較以往球形發電機提高兩個數量級以上, 單球最大輸出功率達到7.96 mW. 隨後製備了球形發電機陣列, 通過陣列化和能量存儲, 構建水溫測量的自驅動系統, 展示了納米發電機在藍色能源收集中的重要應用前景. 相關成果以Spherical Triboelectric Nanogenerators Based on Spring‐Assisted Multilayered Structure for Efficient Water Wave Energy Harvesting 為題發表在近期的《先進功能材料》 (Adv. Funct. Mater) 上.
(a) 基於彈簧及多層結構的球形摩擦納米發電機的示意圖; (b)-(c) 球形發電機陣列在不同水波頻率下的輸出電流和功率; (d) 水溫測量的自驅動系統構建.
