第一作者：刘利强（同济大学）
通讯作者：杨希娅副教授（暨南大学），唐群委教授（暨南大学）
通讯单位：暨南大学
论文DOI: 10.1021/acsnano.1c00345
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发展海洋能量转换技术是优化海洋能源结构、拓宽“蓝色经济”领域的战略要求，摩擦纳米发电机（TENG）以其独特的优势为高效捕获波浪能提供了一种潜在的方法。近日，暨南大学唐群委教授研究团队研制了一种用于低频波浪能采集的多轨道独立层式摩擦纳米发电机（NDM-FTENG）。系统地研究和优化了轨道数、连接方式、振荡频率和振荡幅度等结构参数对NDM-FTENG电学输出性能的影响。在波浪振荡频率为0.21 Hz和摆幅为120°的条件下，单个NDM-FTENG测得最大开路电压为507 V，可获得4 W/m3的最大瞬时功率密度，同时点亮320个LED灯。NDM-FTENG使用约两个月后电学输出性能基本没有衰减，具有良好的稳定性和耐用性。NDM-FTENG被证明是在真实的波浪环境中驱动小型电子器件的有效装置，并且通过将更多的NDM-FTENG装置并联在一起，形成一个面向大规模蓝色能源收集的网络，拥有进一步增大波浪能发电功率的巨大潜力。
背景介绍
传统的波浪能发电技术主要依靠电磁感应发电机，但建设和维护成本高、低频功率转换效率相对较低、可靠性和稳定性较差等缺点限制了其未来的发展和应用扩展。摩擦纳米发电机由于功率密度高、成本低、能量利用率高等优点，在人体动能和环境振动能量的采集方面显示出巨大的优势，为大规模采集蓝色能源提供了潜在的技术解决方案。近年来，TENG的结构设计逐渐从液-固接触式转变为基于独立层滑动模式的球形结构，因为球形结构易于漂浮在海面上，能够捕获多向波。然而，球形结构的TENG将不可避免地遇到与波浪同时运动而不受约束的情况，这将严重影响波浪能转换效率。对于其他类型的TENG，如鸭式和船式结构，无论是球还是杆在曲面上滚动时，滚动体都会发生无序运动和碰撞，从而造成摩擦能量损失，降低转换效率。因此，TENG内部结构设计的核心问题不仅是充分利用内部空间进行波浪能的采集，而且要最大限度地提高波浪能向TENG动能的转化效率。值得注意的是，波浪和TENG装置之间的匹配频率也会显著影响能量转换效率。当TENG的运动频率与波浪的固有频率发生共振时，TENG就可以实现稳定的最大功率转换效率。
本文亮点
1、本文巧妙地设计了一种点头鸭式多轨道独立层式摩擦纳米发电机（NDM-FTENG）收集蓝色能源；
2、通过优化轨道数和连接方式，NDM-FTENG获得最大的Voc为507 V，瞬时输出功率密度为4 W/m3；
3、NDM-FTENG具有良好的稳定性和耐久性，运行约60天后电学输出性能没有任何衰减。
图文解析
图1 NDM-FTENG的结构设计和工作机理
（a-b）NDM-FTENG结构及内部多轨道FTENG装置的示意图；（c）FTENG的工作机理及（d1-d3）COMSOL模拟的电势分布；NDM-FTENG使用不同介电材料时的（e）Voc和（f）Isc，可以确定使用最佳的介电薄膜为PPCF;（g）通过PPCF表面改性后的SEM和AFM图可以看出表面具有一定的褶皱结构，可以增大比表面积。
图2 不同连接方式时NDM-FTENG的输出性能
（a-b）FTENG单元之间的不同连接方式示意图；（c）NDM-FTENG不同层之间的并联连接示意图； FTENG在并联、串联下的（d）Voc、（e） Isc和（f）Qsc，得出两个FTENG并联后的输出性能具有累加效应；单个NDM-FTENG内部三层之间并联的(g）Voc，（h）Isc和（i）Qsc。
图3 NDM-FTENG的内部结构优化
（a-b）COMSOL模拟尼龙球直径为10～35 mm时FTENG的电势分布和最大电位差；NDM-FTENG第一层的（c）Voc、（d）Isc和（e）Qsc；尼龙球表面改性前后NDM-FTENG的（f）Voc、（g）Isc和（h）Qsc，实验结果与模拟结果一致，最佳尼龙球径为30 mm。
图4 不同波浪条件下NDM-FTENG的输出性能
在（a-c）摆动频率0.13~1.64 Hz和（g-i）摆动角度0~120°条件下NDM-FTENG的电学输出性能，可以得到最大输出电压为507 V；（d）NDM-FTENG的输出性能随频率的变化趋势和误差带图；（e）尼龙球在弧形轨道上滚动的受力和摆动频率的动态分析；（f）NDM-FTENG的摆动角示意图。
图5 NDM-FTENG的输出功率及应用潜力
（a）单个NDM-FTENG输出电流和功率密度，最大的瞬时功率为4 W/m3；（b）在0.21 Hz条件下单个NDM-FTENG的充电能力；（c）在两个月内单个NDM-FTENG的稳定性测试，Voc、Isc和Qsc基本没有衰减，具有良好的稳定性和持久性；（d）NDM-FTENG通过电源管理电路可以驱动320个LED灯和电子计时器；（e）双机组并联NDM-FTENG在水池中的应用及面向大规模海浪能量采集的NDM-FTENG网络化设计；(f-h）两个NDM-FTENG并联在水池中运行时的Voc、Isc和Qsc；（i）两个并联的NDM-FTENG的充电电压与单个器件相比有较大的提高；（j）单个、两个并联或串联的NDM-FTENG对电容充电的储能统计，证明并联器件具有良好的性能。
文献来源
Liqiang Liu, Xiya Yang*, Leilei Zhao, Hongxin Hong, Hui Cui, Jialong Duan, Qianming Yang, and Qunwei Tang*, Nodding Duck Structure Multi-track Directional Freestanding Triboelectric Nanogenerator toward Low-Frequency Ocean Wave Energy Harvesting, ACS Nano, 2021
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c00345
作者介绍
刘利强，同济大学在读博士生，硕士期间为山东科技大学与暨南大学联合培养学生，导师杨希娅副教授，研究方向为基于摩擦纳米发电机的能量采集系统及其在自驱动传感器中的应用。
杨希娅，暨南大学新能源技术研究院副教授，香港城市大学硕士、博士、博士后，师从Walid DAOUD教授，2018年加入暨南大学。研究方向主要围绕压电、摩擦电纳米发电机在智能可穿戴电子、海洋波浪能采集、自驱动传感等应用基础研究。以第一作者或通讯作者在Advanced Functional Materials、ACS Nano、Nano Energy、Journal of Materials Chemistry A等期刊发表论文20余篇。主持国家自然科学基金青年基金、广东省自然科学基金面上项目、广州市基础与应用基础研究项目等项目4项。
唐群委，暨南大学新能源技术研究院教授，长期从事新型太阳能电池和海洋能捕获方面的研究，以第一或通讯作者发表在Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials、ACS Nano、Nano Energy等国际权威杂志发表SCI学术论文200余篇（其中，JCR一区论文100余篇），先后有21篇被评为ESI高被引论文（Top 1%）和热点论文（Top 0.1%），1篇论文被选为Altmetrics化学学科TOP 30（中国大陆地区共2篇）。主持国家自然科学基金面上项目、青年项目、青岛海洋科学与技术国家实验室主任基金、山东省杰出青年基金等项目10余项。以第一完成人授权国家发明专利12项；以第一完成人获教育部高等学校优秀科研成果二等奖等6项科研奖励、在科学出版社出版《光电子材料与器件》专著1部。
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