用于風(fēng)能和海洋能收集的摩擦納米發(fā)電機(jī)研究進(jìn)展

王 雪，胡陳果，韓 忠

(重慶大學(xué) 物理學(xué)院 應(yīng)用物理系，重慶 401331)

人類(lèi)社會(huì)高速發(fā)展到今天，傳統(tǒng)化石能源的日益緊缺和全球生態(tài)環(huán)境的不斷惡化等問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重. 綠色可再生能源和新型能源收集技術(shù)已成為能源科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，是關(guān)系到每個(gè)國(guó)家國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力以及可持續(xù)發(fā)展的重大問(wèn)題[1]. 低功耗傳感器、便攜式電子設(shè)備等電子產(chǎn)品的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，當(dāng)前此類(lèi)設(shè)備主要依靠電池驅(qū)動(dòng)而造成的續(xù)航時(shí)間短，電池回收困難等問(wèn)題，基于環(huán)境能量采集的可持續(xù)能源裝置為解決這些問(wèn)題提供了有效的解決方案[1-3].

風(fēng)能和海洋能在環(huán)境中分布廣泛，因儲(chǔ)量豐富、可持續(xù)利用以及綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是最具希望解決能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題的可再生清潔能源[4]. 據(jù)報(bào)道，若得到合理開(kāi)發(fā)和利用，全球海洋波浪能年發(fā)電量可達(dá)80 000 TWh，遠(yuǎn)超過(guò)當(dāng)前全球16 000 TWh/a的用電需求[5]. 另一方面，地球上可用來(lái)發(fā)電的風(fēng)力資源約1010kW/a，是目前全球水力發(fā)電量的10倍[4]. 然而，由于欠缺經(jīng)濟(jì)適用的發(fā)電技術(shù)，風(fēng)能和海洋能的開(kāi)發(fā)目前在全球仍處于初級(jí)階段.

我國(guó)幅員遼闊，是海陸兼?zhèn)涞氖澜绱髧?guó)，風(fēng)能和海洋能的儲(chǔ)備都十分豐富. 目前，這2種能量的開(kāi)發(fā)技術(shù)雖然取得了一定進(jìn)展，但產(chǎn)業(yè)總體尚處于發(fā)展初期[4]. 另外，現(xiàn)階段的發(fā)電裝置普遍存在成本高昂，建造、安裝與維護(hù)技術(shù)困難，工作頻率與環(huán)境流體能特征頻率不匹配等問(wèn)題[6]，這使得基于風(fēng)能和海洋能發(fā)電的規(guī)模化應(yīng)用道阻且長(zhǎng). 提升發(fā)電效率，降低發(fā)電成本，探究發(fā)電裝置的小型化與實(shí)用化，引入新型發(fā)電技術(shù)，可能是未來(lái)加大風(fēng)能和海洋能開(kāi)發(fā)利用的有效途徑.

2012年，王中林院士團(tuán)隊(duì)發(fā)明了摩擦納米發(fā)電機(jī)(Triboelectric nanogenerator, TENG)[7]. TENG以麥克斯韋位移電流為驅(qū)動(dòng)力[8-9]，是繼電磁感應(yīng)式[10]、壓電式[11]和靜電式[12]發(fā)電機(jī)后被公認(rèn)的第4種高效環(huán)境機(jī)械能收集發(fā)電技術(shù)，自發(fā)明以來(lái)掀起了新型便攜式能源裝置的研究熱潮. 目前，TENG在低頻、方向隨機(jī)的機(jī)械能采集方面已展現(xiàn)出現(xiàn)有發(fā)電手段不可替代的優(yōu)勢(shì). 本文將從TENG的基礎(chǔ)理論出發(fā)，介紹其在風(fēng)能和海洋能轉(zhuǎn)換方面的最新研究成果.

1 TENG的基礎(chǔ)理論

1.1 工作原理

TENG是基于摩擦起電和靜電感應(yīng)耦合的新型能源轉(zhuǎn)換裝置，可以將低頻、無(wú)規(guī)則、分散式的機(jī)械能高效轉(zhuǎn)換成電能[13]. 其基本工作原理是：當(dāng)2種得失電子能力不同的材料相接觸時(shí)，它們的表面會(huì)由于摩擦起電作用產(chǎn)生靜電荷；而當(dāng)2種材料在機(jī)械外力的驅(qū)動(dòng)下分離時(shí)，摩擦起電產(chǎn)生的正負(fù)電荷也發(fā)生分離，從而在材料的上下背電極間產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)差；如果在2個(gè)電極間接入負(fù)載或?qū)⑵涠搪罚袘?yīng)電勢(shì)差便會(huì)驅(qū)動(dòng)電子通過(guò)外電路在2個(gè)電極間流動(dòng)，從而形成電流[13]. 因此，當(dāng)系統(tǒng)被周期性地施加作用力時(shí)，2個(gè)電極間會(huì)產(chǎn)生往復(fù)的電子流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能的轉(zhuǎn)換.

1.2 接觸起電的物理機(jī)制

接觸起電是一個(gè)古老的物理現(xiàn)象，早在我國(guó)晉朝張華所著的《博物志》中就有記載，距今已有2 600多年的歷史. 但是這種現(xiàn)象到底應(yīng)該歸因于電子轉(zhuǎn)移、離子轉(zhuǎn)移還是物質(zhì)轉(zhuǎn)移，一直存在爭(zhēng)議. 深入揭示接觸起電物理機(jī)制無(wú)疑是深刻理解TENG工作原理并推動(dòng)其實(shí)際應(yīng)用的基石.

Wang[14]和Xu[15-16]等對(duì)固體表面的接觸起電機(jī)理進(jìn)行了深入研究，通過(guò)觀察高溫下的摩擦起電現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)電子轉(zhuǎn)移是固體/固體界面電荷轉(zhuǎn)移的主要機(jī)理, 并提出了“電子云勢(shì)阱”模型來(lái)解釋材料之間的接觸起電現(xiàn)象[圖1(a)]. “電子云”是由空間中位于特定原子或分子內(nèi)并占據(jù)特定原子或分子軌道的電子形成. 原子可以由勢(shì)阱表示，其外層電子被松散地束縛. 如圖1(a)所示，d是“電子云”之間的距離，EA和EB是材料A和B的電子占據(jù)能量,E1和E2是材料A和B電子逸出所需要的能量.EA和EB分別小于E1和E2. 在2種材料接觸之前，由于勢(shì)阱束縛，電子無(wú)法自由轉(zhuǎn)移. 當(dāng)材料A和B充分接觸時(shí)，電子云將發(fā)生重疊，并且由最初的單勢(shì)阱變成不對(duì)稱(chēng)的雙勢(shì)阱，然后電子會(huì)從A原子轉(zhuǎn)移到B原子上. 常溫下，當(dāng)2種材料分離時(shí)，由于能壘E2的存在，大部分轉(zhuǎn)移到材料B上的電子將不會(huì)返回到A中， B因?yàn)榈玫诫娮佣鴰ж?fù)電，A因?yàn)槭ル娮佣鴰д姡暧^上表現(xiàn)為接觸起電現(xiàn)象. 當(dāng)溫度升高時(shí)，電子能量波動(dòng)變大，轉(zhuǎn)移到B上面的電子可能越過(guò)能壘重新回到A中或者逃逸到空氣里，接觸起電減弱. 電子云勢(shì)阱模型很好地解釋了固體材料表面接觸起電現(xiàn)象.

固/液界面的摩擦起電機(jī)理同樣有待揭示，Nie 等人[17]通過(guò)研究不同液體與聚四氟乙烯(PTFE)表面的接觸起電現(xiàn)象，證實(shí)了固/液界面的接觸起電機(jī)理同樣是電子轉(zhuǎn)移占主導(dǎo)，并提出了如圖1(b)所示的分子間“電子云”模型來(lái)進(jìn)一步解釋.

(a)固體與固體接觸起電的“電子云”勢(shì)壘模型[14]

1.3 摩擦材料

從TENG的基本工作原理不難看出，2種摩擦材料的接觸起電效果將很大程度影響TENG的輸出，而接觸起電效果又取決于材料的極性. 摩擦材料的極性是指材料獲得/失去電子的能力[13,18]. 通常，電正性的材料[如玻璃、蠶絲、羊毛、金屬、尼龍等)接觸電負(fù)性的材料(如聚四氟乙烯(PTFE)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亞胺(Kapton)等]更容易失去電子而帶上正電荷，同時(shí)，電負(fù)性的材料表面會(huì)因得到電子而帶上等量的負(fù)電荷. 實(shí)際上，大多數(shù)材料都具有接觸起電性能，包括金屬、聚合物、木材等，因此，TENG在制作時(shí)具有選材豐富、不受功能材料限制的優(yōu)點(diǎn). 然而，為了優(yōu)化輸出性能，TENG的材料選擇一般會(huì)以摩擦電序列為標(biāo)準(zhǔn)[13，19-20](如圖2所示[20])，該序列是研究者通過(guò)對(duì)比不同材料接觸起電時(shí)相互之間的電子轉(zhuǎn)移規(guī)律總結(jié)的. 摩擦電序列中，彼此靠近的材料接觸起電轉(zhuǎn)移的電荷量十分微弱，因此，為了使TENG輸出性能最大化，通常會(huì)選取分別位于摩擦電序列兩端的材料來(lái)制作器件.

圖2 常見(jiàn)材料摩擦電序列[20]

1.4 4種基本工作模式

為了收集環(huán)境中各種形式的機(jī)械能, 人們發(fā)展出了結(jié)構(gòu)多樣、形狀各異的 TENG，但是根據(jù)電極的位置和摩擦層的相對(duì)運(yùn)動(dòng)形式，TENG主要分為以下4種模式: 垂直接觸-分離式、水平滑移式、單電極模式和獨(dú)立層模式[13,18-19]. 圖3為T(mén)ENG的4種基本工作模式的示意圖[18].

圖3 TENG的4種基本工作模式[18]

1.4.1 垂直接觸-分離式

最早發(fā)明出的TENG工作模式是垂直接觸-分離式. 如圖3(a)所示，2種不同的聚合物材料作為摩擦層并在垂直方向上面對(duì)面放置，同時(shí)，兩摩擦層的背面沉積導(dǎo)電材料作為電極，兩電極通過(guò)外電路連接形成回路. 初始狀態(tài)時(shí)，器件整體呈現(xiàn)電中性. 在外力作用下，2種聚合物薄膜相互接觸摩擦，由于得失電子能力的差異，電負(fù)性較弱的材料失去電子，電負(fù)性較強(qiáng)的材料得到電子，從而使上下摩擦層產(chǎn)生等量的異種電荷. 由于聚合物為絕緣材料，摩擦產(chǎn)生的電荷可以較長(zhǎng)時(shí)間保存在摩擦層表面. 當(dāng)2種聚合物薄膜在外力作用下分離時(shí)，2個(gè)電極間產(chǎn)生電勢(shì)差，隨著分離距離的增大，開(kāi)路電壓增大，直到器件恢復(fù)到初始狀態(tài)，此時(shí)開(kāi)路電壓達(dá)到最大. 在理想狀態(tài)下即外電路阻抗無(wú)限大的情況下，電壓會(huì)保持不變. 當(dāng)外力使2種聚合物薄膜距離變小到完全接觸，則開(kāi)路電壓持續(xù)減小到零[13,18].

1.4.2 水平滑移式

水平滑移式TENG的基本工作原理與垂直接觸-分離式相同，只是兩摩擦層的運(yùn)動(dòng)模式不同. 如圖3(b)所示，當(dāng)2種介電薄膜發(fā)生沿著水平方向的相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，兩表面也會(huì)產(chǎn)生摩擦電荷. 而水平方向上形成的極化會(huì)驅(qū)動(dòng)電子在上下2個(gè)電極間流動(dòng)，周期性的滑移和重合產(chǎn)生交流輸出信號(hào). 基于滑移式結(jié)構(gòu)，研究人員還研制出轉(zhuǎn)盤(pán)式、滾筒式等多種TENG[21-23].

1.4.3 單電極模式

單電極式TENG是上述2種工作模式的延伸，根據(jù)聚合物摩擦層和電極的相對(duì)運(yùn)動(dòng)特征，可細(xì)分為垂直接觸-分離式單電極和滑移式單電極[9,13]. 以垂直接觸-分離式單電極TENG為例，如圖3(c)所示，當(dāng)聚合物材料與電極發(fā)生摩擦?xí)r，由于電負(fù)性的明顯差異，兩者表面會(huì)帶上等量異號(hào)電荷. 在外力驅(qū)動(dòng)下，聚合物離開(kāi)電極表面，電子將從地流向電極以中和電極表面的正電荷，產(chǎn)生電流信號(hào). 同理，當(dāng)聚合物材料重新靠近電極表面時(shí)，外電路又會(huì)產(chǎn)生反向的電流信號(hào). 由此可見(jiàn)，單電極模式TENG并非真的只有1個(gè)電極，而是創(chuàng)造性地將另一個(gè)電極的角色用地來(lái)承擔(dān)，電子在摩擦電極和地之間來(lái)回流動(dòng)，從而在外電路產(chǎn)生交流輸出信號(hào). 由于2個(gè)摩擦層之間不再有導(dǎo)線束縛，單電極式TENG在收集方向隨機(jī)的能量[24-25]以及自驅(qū)動(dòng)傳感[26]方面都體現(xiàn)出巨大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì).

1.4.4 獨(dú)立層模式

獨(dú)立層模式TENG是前2種工作模式的延伸. 在此工作模式被發(fā)明以前，TENG的2個(gè)摩擦層都要被連接在移動(dòng)的物體上，該設(shè)置方式限制了TENG在軌道狀移動(dòng)物體的能量收集方面的通用性和適應(yīng)性. 而獨(dú)立式TENG就可以在這些方面有所作為. 如圖3(d)所示，聚合物與電極摩擦后表面帶上電荷，帶電的聚合物在2個(gè)電極上往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于靜電感應(yīng)，兩電極間會(huì)產(chǎn)生交流特征的感應(yīng)電流. 需要補(bǔ)充的是，聚合物表面的摩擦電荷至少會(huì)維持幾個(gè)小時(shí)，因此，并不需要持續(xù)接觸和摩擦，從而很大程度上減少了摩擦層的磨損，延長(zhǎng)了TENG的工作壽命[27-29].

2 TENG用于風(fēng)能收集與轉(zhuǎn)換的研究進(jìn)展

目前，最常用的風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置是基于法拉第電磁感應(yīng)定律的風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)，雖然具有輸出功率大的優(yōu)勢(shì)，但存在體積、質(zhì)量大，安裝成本高，設(shè)備復(fù)雜，低風(fēng)速條件下難以驅(qū)動(dòng)，只能在偏遠(yuǎn)地區(qū)搭建等問(wèn)題，極大地限制了風(fēng)力發(fā)電的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[4,30-31].

目前實(shí)驗(yàn)已證實(shí)對(duì)于低頻的機(jī)械觸發(fā)，TENG可以獲得高達(dá)85%的完全能源轉(zhuǎn)換效率[28]，并能夠有效克服傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在低頻率及低風(fēng)速條件下能量利用效率低的難題. 此外，TENG還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、選材豐富、體積小、重量輕、易于制造和安裝等優(yōu)點(diǎn)[13,18,32]，能夠有效解決傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)成本高昂、安裝困難的難題. 更值得注意的是，同體積規(guī)模的TENG的發(fā)電效率遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)[31-32]，且便于攜帶，可在人口密集的區(qū)域安裝使用，這對(duì)于突破傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝區(qū)域的限制，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模風(fēng)能收集，推進(jìn)風(fēng)力發(fā)電的實(shí)際應(yīng)用有重要意義. 目前，用于風(fēng)能收集的TENG根據(jù)能量獲取方式和器件結(jié)構(gòu)大致可以歸納為“旋轉(zhuǎn)式”和“流致振動(dòng)式”兩大類(lèi).

2.1 旋轉(zhuǎn)式風(fēng)能收集TENG

旋轉(zhuǎn)式風(fēng)能收集TENG的設(shè)計(jì)主要是受傳統(tǒng)電磁式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的啟發(fā)，借助風(fēng)杯等結(jié)構(gòu)收集風(fēng)能，并將其轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)形式的機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)TENG摩擦層間的接觸分離，從而產(chǎn)生電輸出.

由于接觸充分、工作面積大，轉(zhuǎn)盤(pán)式風(fēng)能收集TENG最先被提出. Chen等人設(shè)計(jì)了一種轉(zhuǎn)盤(pán)式風(fēng)能收集TENG[33]. 如圖4(a)所示，該裝置由風(fēng)杯、轉(zhuǎn)子和定子組成. 轉(zhuǎn)子和定子的基本部件都是通過(guò)印刷電路板技術(shù)制備的銅柵電極. 不同之處是，頂部柵電極由180個(gè)放射性扇形單元構(gòu)成，每個(gè)單元之間間隔1°，與風(fēng)杯相連，充當(dāng)轉(zhuǎn)子；底部柵電極由2個(gè)圖案互補(bǔ)的扇形電極網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，中間用很細(xì)的溝槽隔開(kāi)，分別引出1條導(dǎo)線，表面附著Kapton薄膜并固定在基板上，作為定子. 當(dāng)風(fēng)吹動(dòng)風(fēng)杯時(shí)，轉(zhuǎn)子隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子上的Cu電極會(huì)與Kapton薄膜發(fā)生摩擦，由于不同材料電子親和能力不同，兩者會(huì)帶上異種電荷；當(dāng)摩擦帶正電的Cu轉(zhuǎn)子與定子上的Cu電極間的相對(duì)位置發(fā)生變化，定子上的Cu電極便會(huì)產(chǎn)生周期性變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而向外部負(fù)載上輸出交流電. 該器件采用風(fēng)杯可以高效地收集風(fēng)能，在8.5 m/s的風(fēng)速驅(qū)動(dòng)下，可點(diǎn)亮數(shù)十盞LED燈. 除了收集風(fēng)能為小型電子設(shè)備供電以外，該器件產(chǎn)生的電能還可以用于電化學(xué)氧化SiO2和靜電吸附除塵，為環(huán)境保護(hù)和空氣凈化領(lǐng)域提供了新的解決方案.

(a) 轉(zhuǎn)盤(pán)式風(fēng)能TENG用于自驅(qū)動(dòng)空氣凈化及電化學(xué)氧化 (b)同軸旋轉(zhuǎn)式風(fēng)能TENG應(yīng)用于SiO2[33]電解水制氫[34] (c)風(fēng)車(chē)式雜化納米發(fā)電機(jī)及其在收集低速風(fēng)能時(shí)的輸出特性[36]

與轉(zhuǎn)盤(pán)式相比，軸向轉(zhuǎn)動(dòng)式裝置更加節(jié)省空間. Ren等制作了一個(gè)獨(dú)立層模式的同軸旋轉(zhuǎn)式風(fēng)能TENG[34]，該器件由固定在支架上的圓柱形定子和與扇葉相連的空心轉(zhuǎn)子組成[圖4(b)]. 為了制作器件，首先環(huán)繞定子1周固定上1對(duì)Al叉式電極；接著利用靜電紡絲的方法，在叉式電極上均勻覆蓋1層聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜作為介電摩擦層；然后在轉(zhuǎn)子內(nèi)壁貼上平行等間距的Al條作為另一摩擦層，為了使Al和PVDF的接觸更加充分，在固定轉(zhuǎn)子上的Al條下方增加了泡沫軟墊作為緩沖層；最后將定子插入轉(zhuǎn)子中，完成器件組裝. 當(dāng)有風(fēng)吹過(guò)，扇葉將帶動(dòng)條狀A(yù)l與PVDF摩擦，由于兩者得失電子能力的差異，Al將帶上正電，而PVDF將帶上負(fù)電. 轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)子上的Al條與定子上的Al叉式電極的相對(duì)位置會(huì)發(fā)生周期性重合/分離，從而引起Al叉式電極上交替感應(yīng)正負(fù)電荷，并向外電路輸出交流電. 該器件在3～10 m/s風(fēng)速范圍內(nèi)的輸出特性，發(fā)現(xiàn)開(kāi)路電壓和轉(zhuǎn)移電荷量均與風(fēng)速無(wú)關(guān)，而短路電流隨著風(fēng)速的增加而增大，這是因?yàn)轱L(fēng)速越大，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)速度越快，電荷的轉(zhuǎn)移速度也會(huì)越快. 該器件在連續(xù)工作10 h后，SEM結(jié)果顯示介電摩擦層表面形貌無(wú)明顯變化，證明了靜電紡絲的PVDF薄膜具有良好的耐磨性，保證了器件的工作壽命. 為了驗(yàn)證該器件為微小電子設(shè)備供電的能力，分別將制作的裝置用于商業(yè)電容充電和LED燈供能，結(jié)果表現(xiàn)優(yōu)異. 更有意義的是，該器件還可以用于自驅(qū)動(dòng)的電解水系統(tǒng)，在6 m/s，8 m/s和10 m/s的風(fēng)速條件下，可分別獲得1.415 1 μL/min，3.470 5 μL/min和6.968 5 μL/min的H2釋放速率. 該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、體積小、重量輕，在可持續(xù)和可再生能源的應(yīng)用方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景.

旋轉(zhuǎn)式風(fēng)能TENG一般都是基于獨(dú)立層模式或者旋轉(zhuǎn)滑移式，摩擦材料的嚴(yán)重磨損是這類(lèi)TENG常面臨的問(wèn)題，從而極大地限制了器件的工作壽命和穩(wěn)定性. 此外，無(wú)論是轉(zhuǎn)盤(pán)式還是軸向轉(zhuǎn)動(dòng)式，為了保證發(fā)電機(jī)輸出，摩擦層之間都需要緊密接觸，這無(wú)疑為轉(zhuǎn)動(dòng)增加了阻力，使得器件須在較高風(fēng)速時(shí)才能工作. 據(jù)報(bào)道，地球大陸的平均近地風(fēng)速約為3.28 m/s[35]，因此，開(kāi)發(fā)環(huán)境風(fēng)速即可驅(qū)動(dòng)風(fēng)能的TENG顯得非常重要.

為了解決以上問(wèn)題，Zhang等發(fā)明了高效耐用且可大規(guī)模收集微風(fēng)能量的風(fēng)車(chē)式雜化納米發(fā)電機(jī)[36]. 該裝置復(fù)合了TENG和電磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)(Electromagnetic Generator, EMG)，前端扇葉捕獲風(fēng)能后轉(zhuǎn)換成后端發(fā)電機(jī)單元的接觸-分離運(yùn)動(dòng)，由此有效地降低了電極材料的磨損并延長(zhǎng)了器件的工作壽命；與此同時(shí)，通過(guò)減小旋轉(zhuǎn)摩擦阻力，極大地促進(jìn)了裝置對(duì)低速風(fēng)能的收集，進(jìn)而提升了發(fā)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率. 巧妙地利用彈簧鋼片的導(dǎo)電性和彈性，使其既是發(fā)電機(jī)的電極，又是接觸-分離運(yùn)動(dòng)的助推器，儲(chǔ)蓄的彈性勢(shì)能可以大大提高TENG電極之間的接觸/分離速度，提升系統(tǒng)輸出性能. 同時(shí)賦予了磁鐵元件雙重功能，使其為EMG提供磁源的同時(shí)，又解決了接觸分離式TENG電極間容易因靜電吸附不易分開(kāi)的問(wèn)題. 通過(guò)對(duì)器件電學(xué)輸出特性的系統(tǒng)研究以及COMSOL模擬輔助分析，闡明了彈簧鋼片和磁鐵的參數(shù)對(duì)裝置輸出性能的影響，獲得了可高效收集低速風(fēng)能的雜化納米發(fā)電機(jī). 在風(fēng)速低至1.8 m/s時(shí)，TENG和EMG單元的輸出功率可分別達(dá)到0.95 mW和3.7 mW. 此外，該裝置還可捕獲環(huán)境風(fēng)能為微小電子器件供電. 該研究成果極大地降低了TENG的閾值風(fēng)速，為提升旋轉(zhuǎn)式風(fēng)能TENG的能量轉(zhuǎn)換效率，實(shí)現(xiàn)環(huán)境風(fēng)能的大規(guī)模收集提供了新穎有效的設(shè)計(jì)思路.

旋轉(zhuǎn)式風(fēng)能收集TENG由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便，近年來(lái)被大量研究，科學(xué)家們發(fā)明了各種基于旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的裝置，收集風(fēng)能發(fā)電的同時(shí)，還可以用于自驅(qū)動(dòng)傳感[23,37-38]. 如何進(jìn)一步降低啟動(dòng)風(fēng)速、防止材料磨損、提高能量轉(zhuǎn)換效率和輸出功率一直是研究者努力的方向. 通過(guò)探索新穎結(jié)構(gòu)，例如使器件在接觸和非接觸狀態(tài)之間自由轉(zhuǎn)換[39-40]以及摩擦材料改性等手段，提高這類(lèi)裝置的可靠性和實(shí)用化.

2.2 流致振動(dòng)式風(fēng)能收集TENG

旋轉(zhuǎn)式風(fēng)能收集TENG雖然可以有效實(shí)現(xiàn)風(fēng)能發(fā)電，但是這類(lèi)裝置需要先將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)動(dòng)能繼而驅(qū)動(dòng)TENG工作，該過(guò)程存在較大能量損耗. 因此，科學(xué)家們更希望能直接將流動(dòng)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換成器件的振動(dòng)能量，從而發(fā)明了流致振動(dòng)式風(fēng)能收集TENG.

流致振動(dòng)是指在一定速度范圍內(nèi)，流體繞過(guò)非線性阻礙物時(shí)會(huì)對(duì)阻礙物表面產(chǎn)生交替相間的作用力，誘發(fā)垂直于流向和阻礙物軸向的往復(fù)振動(dòng)[41]. 這種現(xiàn)象在自然界中廣泛存在，但因其在航空航天和工程領(lǐng)域具有較強(qiáng)的破壞性，長(zhǎng)期以來(lái)被視作有害效應(yīng)并予以消除. 然而近年來(lái)，流致振動(dòng)卻作為新穎的清潔能源捕集方法受到越來(lái)越多的關(guān)注，并已在電磁感應(yīng)式和壓電式俘能器上有所應(yīng)用[41]. 隨著TENG的問(wèn)世，科學(xué)家們也發(fā)明了大量基于流致振動(dòng)效應(yīng)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置.

Yang等報(bào)道了一種顫振式TENG[42]，可以有效收集環(huán)境中的風(fēng)能. 如圖5(a)所示，2塊背面鍍有銅電極的PTFE薄膜面對(duì)面平行安裝在亞克力支架上，在充當(dāng)摩擦層的同時(shí)圍成了進(jìn)氣通道，一塊上下表面均鍍有Cu電極的Kapton薄膜被固定在支架中間，作為另一個(gè)摩擦電極. 當(dāng)有氣流通過(guò)復(fù)合薄膜圍成的空腔時(shí)，中間的Kapton薄膜會(huì)因?yàn)椤邦澱瘛毙?yīng)而發(fā)生受迫振動(dòng)，從而帶動(dòng)表面的Cu電極與上下PTFE薄膜往復(fù)接觸，形成交流電輸出. 顯然，進(jìn)氣通道的尺寸、復(fù)合薄膜的長(zhǎng)度等都會(huì)影響薄膜的振動(dòng)特性. 通過(guò)器件優(yōu)化，在15 m/s的風(fēng)速下，該TENG可達(dá)到9 kW/m3的輸出功率密度，并且可以驅(qū)動(dòng)商用LED燈. 更有趣的是，除了收集環(huán)境中的風(fēng)能外，該器件還可以收集人體呼吸的能量，在健康監(jiān)測(cè)方面表現(xiàn)出一定的應(yīng)用前景.

Yang等人的研究結(jié)果證明，TENG與顫振效應(yīng)結(jié)合可實(shí)現(xiàn)風(fēng)能收集發(fā)電，然而，該工作還存在驅(qū)動(dòng)風(fēng)速較高的問(wèn)題. 眾所周知，高速風(fēng)能只能在一些特殊環(huán)境中得到，而且普遍具有破壞性. 因此，收集環(huán)境中廣泛存在的低速風(fēng)能顯得更有意義. 然而，要保證在較低風(fēng)速下還能有穩(wěn)定可觀的輸出無(wú)疑是一個(gè)難題. Ren等人[43]在Yang的工作基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了改進(jìn)的顫振式風(fēng)能TENG. 他們認(rèn)為，要實(shí)現(xiàn)低速風(fēng)能下的高效電輸出，振動(dòng)薄膜必須具有良好的柔韌性、優(yōu)異的彈性以及輕質(zhì)特征. 因此，選擇了超薄的共聚酯(Ecoflex)薄膜作為風(fēng)能俘獲單元，并在薄膜的上下表面附著摻有超長(zhǎng)Ag納米線的可熱塑聚氨基甲酸酯(TPU)纖維作為摩擦電極[圖5(b)]. 同時(shí)，考慮到摩擦層的接觸程度將極大地影響TENG的輸出，因此，根據(jù)Ecoflex薄膜受迫振動(dòng)的形變特征，利用3D打印技術(shù)制備了拱形的樹(shù)脂框架，并在樹(shù)脂框架的上下內(nèi)壁分別貼了Al電極和氟化乙烯丙烯(FEP)薄膜. 這樣一來(lái)，當(dāng)Ecoflex薄膜振動(dòng)時(shí)，受益于拱形框架的特殊架構(gòu)，TPU摩擦電極與FEP薄膜的接觸面積得到了極大提升. 同時(shí)，研究還發(fā)現(xiàn)，在彈性薄膜表面制造微孔有助于提高微風(fēng)驅(qū)動(dòng)下薄膜的振動(dòng)特性，可進(jìn)一步降低器件的啟動(dòng)風(fēng)速，并提高TENG的輸出. 通過(guò)對(duì)拱形框架的曲率、薄膜的厚度、薄膜表面微孔的形貌及數(shù)量等進(jìn)行系統(tǒng)研究和優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)了0.7～6 m/s風(fēng)速范圍的能量收集. 該器件在0.7 m/s的極低風(fēng)速下可輸出20 mW/m3的功率密度，并且在2.5 m/s的風(fēng)力驅(qū)動(dòng)下可達(dá)到7.8%的能量轉(zhuǎn)換效率. 得益于精巧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該器件可以收集包括電腦散熱風(fēng)扇、汽車(chē)運(yùn)動(dòng)氣流甚至翻書(shū)的能量等. 與風(fēng)力發(fā)電TENG相比，該工作極大地降低了閾值風(fēng)速的要求，進(jìn)一步推動(dòng)了TENG在風(fēng)能收集和轉(zhuǎn)換方面的實(shí)際應(yīng)用.

圖5 流致振動(dòng)式風(fēng)能摩擦納米發(fā)電機(jī)研究進(jìn)展

“顫振”效應(yīng)與摩擦納米發(fā)電技術(shù)的結(jié)合，為環(huán)境風(fēng)能采集發(fā)電提供了新思路. 針對(duì)器件的集成性、實(shí)用性、便攜性等，科學(xué)家們還發(fā)明了口哨式[44]、旗幟式[45]、類(lèi)草坪式[46]、角基集成式[47]顫振風(fēng)能TENG. 為同時(shí)滿足受迫振動(dòng)條件和發(fā)電的目的，此類(lèi)裝置的柔性介電薄膜和電極都必須暴露在空氣中并與氣流直接接觸，而空氣中的塵埃、帶電粒子以及濕度等因素會(huì)嚴(yán)重影響 TENG 的輸出[6,9,13,17-18]. 所以，在長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)，顫振式 TENG 存在輸出不穩(wěn)定以及在雨天氣候條件下不能工作等問(wèn)題.

為了解決這些問(wèn)題，重慶大學(xué)Zeng等人發(fā)明了鈍體擾流式低速風(fēng)能收集TENG[48]. 與“顫振”效應(yīng)一樣，鈍體擾流引起的系統(tǒng)振動(dòng)屬于“流致振動(dòng)”的一種，但與前者相比，這類(lèi)結(jié)構(gòu)結(jié)合TENG用于風(fēng)能收集發(fā)電具有更顯著的優(yōu)勢(shì)：首先，鈍體作為俘能單元，TENG封裝在鈍體內(nèi)部，電極的動(dòng)能通過(guò)鈍體傳遞，摩擦材料不與氣流直接接觸，有效避免了環(huán)境因素(濕度、塵埃等)對(duì)TENG輸出的影響，大幅提高了器件輸出穩(wěn)定性和使用壽命；其次，為了實(shí)現(xiàn)振動(dòng)，顫振式TENG對(duì)薄膜的面積、彈性、厚度和質(zhì)量等都有要求，這無(wú)疑增加了器件制備的復(fù)雜性并且限制了單個(gè)器件的輸出功率極限. 而鈍體擾流式TENG對(duì)摩擦材料沒(méi)有特殊要求，并且極易實(shí)現(xiàn)電極的安裝與集成，可以實(shí)現(xiàn)較大功率密度的電學(xué)輸出；最后，這類(lèi)結(jié)構(gòu)極易通過(guò)調(diào)節(jié)鈍體形狀、尺寸、質(zhì)量及系統(tǒng)彈性系數(shù)等實(shí)現(xiàn)不同的振動(dòng)特性，以達(dá)到更寬風(fēng)速范圍的能量收集，匹配不同的應(yīng)用場(chǎng)景.

基于以上結(jié)構(gòu)，Zeng等人成功研制了懸臂梁支撐柱狀鈍體的風(fēng)能收集TENG (FIV-TENG). 如圖5(c)所示，該器件的俘能主體是彈簧鋼片支撐的梯形柱鈍體，2個(gè)背靠背的接觸-分離式TENG被安裝在鈍體內(nèi)部. 當(dāng)有氣流通過(guò)鈍體表面時(shí)，梯形截面兩側(cè)形成的渦流會(huì)交替脫落從而造成兩側(cè)面受到的壓力輪流達(dá)到極值. 又由于鈍體安裝在彈簧鋼片的一端，系統(tǒng)則會(huì)以彈簧鋼片的固定端為原點(diǎn)發(fā)生往復(fù)擺動(dòng)，從而帶動(dòng)封裝在鈍體內(nèi)的TENG電極發(fā)生接觸-分離，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能到電能的轉(zhuǎn)換. 不難看出，該器件的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程是“風(fēng)能—鈍體動(dòng)能—TENG電極動(dòng)能—電能”，因此，如何實(shí)現(xiàn)最大的能量轉(zhuǎn)換效率值得深入探討.

Zeng等人系統(tǒng)研究了彈簧鋼片的彈性系數(shù)、TENG電極的重心、質(zhì)量、曲率半徑等對(duì)FIV-TENG輸出的影響，在最佳器件結(jié)構(gòu)參量條件下，實(shí)現(xiàn)了2.9～7.8 m/s速度范圍的風(fēng)能收集. 在2.9 m/s的微風(fēng)驅(qū)動(dòng)下，該器件可達(dá)到270 V、7.6 μA和96 nC的電學(xué)輸出，可以點(diǎn)亮200盞LED燈并驅(qū)動(dòng)小型傳感器持續(xù)工作. 該研究成果為實(shí)現(xiàn)全封裝、低閾值風(fēng)速、高電學(xué)輸出和理想穩(wěn)定性的風(fēng)能收集TENG提供了新的解決方案.

綜上，近年來(lái)，TENG在風(fēng)能收集和轉(zhuǎn)換方面取得了豐碩的研究成果. 相較于傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)，TENG具有更廣泛的選材和更靈活的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，成本低廉，制作簡(jiǎn)單，安裝和投放都十分方便；與空氣彈性動(dòng)力學(xué)的結(jié)合解決了目前低速風(fēng)能轉(zhuǎn)換困難的問(wèn)題. 此外，TENG在自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)建方面也展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景.

3 TENG用于海洋能收集與轉(zhuǎn)換的研究進(jìn)展

海洋覆蓋了地球超70%的面積，是巨大的能源寶庫(kù)[4,6,49]. 理論上，海洋完全可以滿足地球上所有的能源需求，并且不會(huì)對(duì)大氣造成任何污染，因此海洋能也被譽(yù)為藍(lán)色能源[6,49]. 但與風(fēng)能和太陽(yáng)能等可再生能源相比，對(duì)藍(lán)色能源的開(kāi)發(fā)和能量收集一直充滿坎坷，主要因?yàn)閭鹘y(tǒng)電磁發(fā)電機(jī)的輸出功率與頻率的平方成正比，故需穩(wěn)定且高工作頻率 (50～60 Hz) 才能獲得有效的輸出[4,6]. 但無(wú)論是海洋中的波浪、潮汐還是洋流，其運(yùn)動(dòng)頻率均較低 (0.1～5 Hz)，且海浪運(yùn)動(dòng)無(wú)規(guī)律，因此很難利用電磁發(fā)電機(jī)對(duì)其進(jìn)行能量收集[4,6,49]. TENG在低頻且無(wú)規(guī)律的機(jī)械能收集方面表現(xiàn)出的優(yōu)異性能，為海洋能的收集帶來(lái)了新的曙光.

與風(fēng)能不同，海洋能發(fā)電裝置的工作環(huán)境更為復(fù)雜和惡劣，因此，對(duì)TENG器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和封裝都提出了更高的要求，不僅要實(shí)現(xiàn)能量的高效俘獲和轉(zhuǎn)換，還要保證TENG的工作狀態(tài)不受海洋復(fù)雜環(huán)境的影響. 目前，用于海洋能收集的TENG大致可分為以下3類(lèi)：固-固接觸式、固-液接觸式和復(fù)合式.

3.1 固-固接觸式海洋能收集TENG

目前，大多數(shù)用于海洋能收集的TENG采用固體摩擦材料，利用海洋中浮體運(yùn)動(dòng)是最先被想到的設(shè)計(jì)方案. 與其他形狀相比，球形更容易漂浮在海面且易受到觸發(fā)發(fā)生擺動(dòng)，由于各個(gè)方向的力對(duì)球形外殼的作用近乎是等同的，因此可用于全方位的海洋能收集.

2015年，Wang等人發(fā)明了基于自由摩擦層模式的全封閉球殼結(jié)構(gòu)TENG(RF-TENG)[50]. 如圖6(a)所示，該結(jié)構(gòu)將剛性的尼龍球封閉在球殼內(nèi)，球殼內(nèi)壁貼有Kapton薄膜，薄膜下表面裝置了1對(duì)Al電極. 當(dāng)球殼在海浪的驅(qū)動(dòng)下擺動(dòng)時(shí)，由于重力作用，尼龍球會(huì)發(fā)生滾動(dòng)并與Kapton薄膜摩擦，兩摩擦材料由于電負(fù)性不同而帶上等量異種電荷. 當(dāng)尼龍球與Al電極發(fā)生相對(duì)位置變化時(shí)，由于靜電感應(yīng)，2個(gè)Al電極間會(huì)產(chǎn)生交流電輸出. 為了優(yōu)化摩擦材料，對(duì)尼龍/Kapton膜和PTFE / Al進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明尼龍/ Kapton裝置的輸出功率密度優(yōu)于PTFE / Al裝置. 通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量相結(jié)合，對(duì)滾動(dòng)球直徑和電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)最大輸出. 經(jīng)過(guò)優(yōu)化的RF-TENG在1.05～2.35 Hz的水波頻率范圍內(nèi)具有穩(wěn)定輸出性能，在1.43 Hz(該設(shè)備的固有頻率)的水波頻率下可以提供24 nC的轉(zhuǎn)移電荷和1.2 μA的短路電流，并可以直接點(diǎn)亮10盞商用LED.

圖6 固-固接觸式海洋能TENG研究進(jìn)展

由于尼龍球和封閉球殼都是硬的，因此上述RF-TENG的明顯不足是摩擦材料間接觸不夠充分，導(dǎo)致發(fā)電量低. 并且，硬尼龍球和Kapton之間會(huì)因磨損嚴(yán)重而大大降低RF-TENG的耐用性. 為了解決這個(gè)問(wèn)題，Xu等人用硅橡膠球制作了改進(jìn)的波浪能收集TENG[BS-TENG, 圖6(b)[51]]. 與剛性尼龍球相比，硅橡膠球的柔軟性可以使其在滾動(dòng)時(shí)發(fā)生形變，增加摩擦層之間的實(shí)際接觸面積，并有助于降低磨損，改善器件的耐用性. 為了增強(qiáng)硅橡膠的接觸帶電性能，對(duì)硅橡膠球進(jìn)行了紫外線處理，并在另一個(gè)摩擦層中摻入聚甲醛顆粒. 這2種處理還降低了硅橡膠表面的黏度，使其在介電層上可以自由地滾動(dòng)，極大地改善了BS-TENG在低頻波浪下的性能. 在3 Hz的外部振動(dòng)頻率下，轉(zhuǎn)移電荷量隨著振動(dòng)幅度的增加而逐漸增大，從振幅為5 mm時(shí)的14 nC增加到30 mm時(shí)的66 nC，并最終達(dá)到飽和. 同時(shí)，研究者還觀察到，隨著外界觸發(fā)頻率升高，硅膠小球由最開(kāi)始貼合封裝球內(nèi)壁的規(guī)則滾動(dòng)變成無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)(滾動(dòng)加振動(dòng))，這是由球體本身的動(dòng)力學(xué)特性決定的. 但無(wú)論是哪一種運(yùn)動(dòng)，都不影響硅膠球與另一摩擦層之間的接觸-分離，在外電路都會(huì)產(chǎn)生電輸出.

為了進(jìn)一步提高摩擦層之間的接觸面積，Cheng等人[52]提出將封裝殼內(nèi)的球體改裝成“可滾動(dòng)的軟水”，即將水封裝在硅膠內(nèi)部，形成軟球體[SS-TENG，圖6(c)]. 這種改進(jìn)的結(jié)構(gòu)不僅讓內(nèi)部的硅膠球在波浪觸發(fā)的時(shí)候能夠更順暢地滾動(dòng)，而且大幅增加了摩擦層之間的接觸面積，提高了器件的電輸出. 在外部振動(dòng)頻率為5 Hz條件下， SS-TENG的轉(zhuǎn)移電荷量比BS-TENG提升了10倍.

由于球形外殼的優(yōu)異特性，近年來(lái)，研究人員在傳統(tǒng)的球形結(jié)構(gòu)上提出了大量變體，并對(duì)器件的構(gòu)-效關(guān)系進(jìn)行了深入研究. 為了提高球殼內(nèi)部空間利用率，Xiao等人設(shè)計(jì)了彈簧輔助的球形多層TENG[53]. 如圖6(d)所示，該器件以直徑為10 cm的球作為外殼，內(nèi)部包含4根不銹鋼軸、1個(gè)“Z”字形的多層TENG、重物以及彈簧. 當(dāng)球殼受到波浪觸發(fā)，安裝在球殼底部的重物會(huì)發(fā)生上下振動(dòng)，從而擠壓用彈簧固定的“Z”字形多層TENG產(chǎn)生輸出，這個(gè)器件對(duì)收集在垂直方向上波浪能非常有效. 由于采用了多層TENG的結(jié)構(gòu)，該器件的短路電流高達(dá)120 μA，比之前的滾動(dòng)球形TENG大2個(gè)數(shù)量級(jí)，并且實(shí)現(xiàn)7.96 mW的最大輸出功率. 由于海洋環(huán)境是惡劣而復(fù)雜，在洶涌的波濤中，對(duì)稱(chēng)的球形結(jié)構(gòu)很容易發(fā)生完全翻轉(zhuǎn)而使器件失去最佳輸出狀態(tài)，甚至造成器件不能工作. 之前的解決方案通常是將單獨(dú)的球組合在一起，形成網(wǎng)絡(luò)，球與球之間互相牽制，防止器件傾翻. Liu等人[54]將截面為正圓的球形改成扁球狀，制備了全天候適用于任何海洋環(huán)境的TENG[圖6(e)]. 該器件由上下兩部件組合而成，均為接觸-分離式TENG. 上層TENG由3個(gè)基于彈簧鋼片的拱形單元和置于其上的鐵餅組成. 每個(gè)基本單元均由2塊熱預(yù)彎的彈簧鋼片組成，其中1塊覆有FEP薄膜. 在海浪的作用下，鐵餅會(huì)上下振動(dòng)，隨之帶動(dòng)拱形摩擦電極之間的接觸-分離，產(chǎn)生電輸出. 該裝置下部由兩輻射狀的膜材料(FEP/Cu和PET/Cu)和鐵球組成，鐵球來(lái)回滾動(dòng)使得兩鍍銅膜之間接觸-分離而輸出電能. 得益于扁球內(nèi)平緩圓弧面，鐵球在輕微激勵(lì)下能滾動(dòng)得更遠(yuǎn)、覆蓋面積更廣. 通過(guò)調(diào)節(jié)激勵(lì)條件，上部拱形TENG單元對(duì)惡劣海況下的機(jī)械能收集表現(xiàn)出色，而下部輻射狀多層膜TENG則對(duì)微弱的海浪更加靈敏，因此，兩部分器件結(jié)合可實(shí)現(xiàn)全天候及各種海況下的能量收集. Liu等人詳細(xì)探究了2層發(fā)電機(jī)的工作原理和性能影響因素，并獲得最大短路電流76 μA、開(kāi)路電壓 281 V 和半周期轉(zhuǎn)移電荷量 270 nC. 扁球外殼具有抗傾翻、自穩(wěn)定、高靈敏、低造價(jià)的優(yōu)點(diǎn)，有望成為未來(lái)藍(lán)色能源發(fā)電機(jī)陣列的最佳選擇.

3.2 固-液接觸式海洋能收集TENG

前面介紹的所有結(jié)構(gòu)都是基于固體摩擦材料并需依賴(lài)封閉的浮體，這對(duì)器件的封裝提出了嚴(yán)格的要求，因?yàn)槁┧畷?huì)導(dǎo)致設(shè)備故障，并且水波中電解質(zhì)也會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)的輸出性能產(chǎn)生影響. 另一方面，由于固體材料的剛性，摩擦層之間的接觸程度受到限制，長(zhǎng)時(shí)間使用也會(huì)造成較大磨損，縮短器件的使用壽命. 而液體和固體的接觸模式幾乎沒(méi)有磨損，并且可能帶來(lái)更充分的接觸，因此，固-液接觸式TENG應(yīng)運(yùn)而生.

在這類(lèi)裝置中，液體充當(dāng)了摩擦材料，另一摩擦層仍然為固體. 根據(jù)TENG的工作原理，兩摩擦層之間必須充分接觸并且有效分離才能實(shí)現(xiàn)電輸出，因此，固體的摩擦層必須具有良好的疏水性. 在眾多材料中，含氟固體材料(如FEP、PTFE等)表面自由能低，具有出色的疏水性[55-56]，并且，這類(lèi)材料還具有極強(qiáng)的負(fù)電荷親和能力[26,57]，因此在固-液接觸式發(fā)電機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用. 根據(jù)結(jié)構(gòu)這類(lèi)TENG可以分為封裝式和直接接觸式.

Pan等人[58]根據(jù)固-液接觸起電機(jī)理設(shè)計(jì)了“U”型管TENG. 如圖7(a)所示，該裝置由2個(gè)嵌套在一起的FEP “U”型管構(gòu)成：內(nèi)層FEP管內(nèi)部封裝液體，外部貼銅電極；外層FEP管既與海水摩擦產(chǎn)生輸出，又保護(hù)銅電極不與海水接觸. 由于水與FEP的電負(fù)性不同，兩者接觸后會(huì)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移而帶上等量異種電荷. 如果“U”型管受到波浪激勵(lì)發(fā)生晃動(dòng)，不管是封裝在內(nèi)層的液面還是與外層FEP接觸的液面都會(huì)發(fā)生改變，因此會(huì)因?yàn)殪o電感應(yīng)而在2個(gè)Cu電極上檢測(cè)到電流. 與固-固摩擦TENG類(lèi)似，固-液接觸TENG的輸出性能同樣受到兩摩擦材料電子親和能力差異的影響. 因此，Pan等人研究了包括純水、NaCl、KOH等在內(nèi)的11種溶液的輸出性能，對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，純水的表現(xiàn)是最好的，可輸出350 V的開(kāi)路電壓、1.75 μA的短路電流以及2.04 W/m3的功率密度. 然而，固-液接觸TENG中的液體含有陽(yáng)離子，該陽(yáng)離子可能會(huì)吸附到FEP表面，屏蔽掉一部分摩擦產(chǎn)生的負(fù)電荷，從而削弱Cu電極上的感應(yīng)電荷密度. 正因?yàn)槿绱耍苽涞摹癠”型管TENG還可以用于自驅(qū)動(dòng)的離子濃度和種類(lèi)檢測(cè). 類(lèi)似地，Li等人設(shè)計(jì)了浮標(biāo)式TENG[59]，通過(guò)將多層的固/液接觸式TENG安裝在浮標(biāo)下方，可收集包括橫搖、縱蕩、旋轉(zhuǎn)在內(nèi)的多種波浪能[圖7(b)].

與固-固接觸上述工作相比，固-液接觸的發(fā)電性能更好. Zhu等人設(shè)計(jì)了獨(dú)立層模式的固-液接觸摩擦納米發(fā)電機(jī)(LSEG)[60]. 選擇FEP薄膜作為介電層，薄膜的背面鍍有2條平行金屬電極，正面通過(guò)表面等離子體刻蝕工藝形成1層直徑約100 nm、長(zhǎng)度約2 μm的納米線陣列. 選擇FEP作為介電層有諸多原因：第一，F(xiàn)EP作為電負(fù)性極強(qiáng)的材料，與水摩擦?xí)r，帶電能力相較其他材料出色很多；第二，F(xiàn)EP具有良好的熱穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性，能夠提高器件長(zhǎng)期在水中工作的耐久性；第三，F(xiàn)EP通過(guò)表面處理容易獲得微結(jié)構(gòu)，增大疏水性的同時(shí)可以極大地提高水與薄膜接觸的有效面積，增大器件的輸出. 并且該器件成本低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，直接置于水中就可以收集水波能量. 圖7(c)展示了此固-液型摩擦納米發(fā)電機(jī)的工作原理：由于水與FEP薄膜得失電子能力的差異，接觸后，水將失去電子，F(xiàn)EP薄膜將獲得電子；當(dāng)水從薄膜上滾落，F(xiàn)EP薄膜背面的兩金屬電極感應(yīng)的電勢(shì)有所差異，在外電路中將形成電流. 為了展示該器件收集水波能的能力，該團(tuán)隊(duì)制作了由6個(gè)平行電極組成的器件，任意2個(gè)相鄰電極構(gòu)成1個(gè)基本發(fā)電單元，每個(gè)單元的電輸出首先通過(guò)電橋進(jìn)行整流，然后并聯(lián)疊加. 研究結(jié)果表明，在0.7 Hz波浪激勵(lì)下，集成的LSEG短路電流可達(dá)7 μA，而將單獨(dú)的電流信號(hào)放大后可以看到5個(gè)電流脈沖，這是因?yàn)樗琼樦?個(gè)基本單元依次滑落的. 集成后的LSEG可以點(diǎn)亮數(shù)十盞LED燈，還可以用作海浪、水流、甚至降雨能量的收集.

圖7 固-液接觸式及復(fù)合式海洋能摩擦納米發(fā)電機(jī)研究進(jìn)展

傳統(tǒng)的固-液界面摩擦起電納米發(fā)電機(jī)幾乎都是基于每個(gè)液滴撞擊固體表面時(shí)產(chǎn)生的摩擦電荷，電荷密度相對(duì)較低，因此，峰值功率密度通常很小(小于1 W/m2)，極大地限制了這類(lèi)裝置的實(shí)際應(yīng)用. 為突破這一局限，Wang等人發(fā)明了結(jié)構(gòu)類(lèi)似于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的新型液滴發(fā)電機(jī)[61]. 如圖7(d)所示，該裝置的由Al電極、 PTFE薄膜和氧化銦錫(ITO)電極3層結(jié)構(gòu)組成. 研究發(fā)現(xiàn), PTFE薄膜可以通過(guò)水滴的反復(fù)撞擊捕獲并穩(wěn)定存儲(chǔ)大量的靜電荷直至達(dá)到飽和狀態(tài). 同時(shí)，底部的ITO電極將靜電感應(yīng)出等量異種電荷. 當(dāng)水滴鋪展至與Al電極接觸時(shí)，整個(gè)裝置便形成閉合的回路，存儲(chǔ)的高密度電荷在ITO電極和Al電極之間發(fā)生轉(zhuǎn)移，并輸出電能. 因此PTFE/ ITO和Al電極的作用類(lèi)似于場(chǎng)效應(yīng)管中的源極和漏極，用于儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)移電荷，而滴落的水滴則與柵極門(mén)有著類(lèi)似作用. 隨著液滴的反復(fù)鋪展與脫離，積存在ITO上的高密度電荷得以在ITO電極和Al電極之間反復(fù)流動(dòng)，從而大大提升了能量轉(zhuǎn)換效率. 在電荷飽和狀態(tài)下，1滴100 μL的水滴從15 cm的高度滴下，能夠產(chǎn)生140 V以上的開(kāi)路電壓，產(chǎn)生的電能足以點(diǎn)亮100盞小LED燈，并且其最大功率可以達(dá)到50.1 W/m2，這些性能比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案高幾個(gè)數(shù)量級(jí). 研究還顯示，即使在相對(duì)濕度較高的情況下，該器件同樣可以實(shí)現(xiàn)高效率的能量采集. 通過(guò)簡(jiǎn)單而巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該新型液滴發(fā)電機(jī)突破了傳統(tǒng)固-液接觸TENG輸出功率低的瓶頸，有望大規(guī)模集成，收集雨滴、河流、海浪，潮汐中蘊(yùn)藏的巨大能量.

固-液接觸型海洋能收集TENG的優(yōu)勢(shì)是直接用水作為摩擦介質(zhì)，不用考慮環(huán)境濕度的影響，甚至不需要封裝，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作簡(jiǎn)便；但輸出性能相比于固-固型TENG相對(duì)較弱，而且海洋附著型生物對(duì)其裸露表面的影響也會(huì)制約其穩(wěn)定性和可靠性.

3.3 復(fù)合型海洋能收集TENG

傳統(tǒng)的EMG因?yàn)楣逃泄ぷ黝l率高、體積巨大和造價(jià)高昂等缺點(diǎn)在收集海洋能方面受到諸多限制，近年來(lái)，EMG和TENG耦合的復(fù)合型海洋能收集器件卻受到諸多科學(xué)家的青睞. 首先，EMG輸出具有高電流低電壓的特性，可以和TENG的高電壓低電流互補(bǔ)；其次，EMG適合收集高頻機(jī)械能，而TENG適合收集低頻機(jī)械能，兩者結(jié)合可以有效拓寬器件能量收集的頻率范圍.

如圖7(e)所示，F(xiàn)eng等人發(fā)明了蜂窩式復(fù)合納米發(fā)電機(jī)(How-NG)[25]，其中TENG部分主要由覆蓋著PTFE膜的蜂窩狀三電極層和1塊磁鐵組成. 將蜂窩狀電極分為ABC3組，每組電極周?chē)际桥c之不同的其他電極組. 這種新穎的電極設(shè)計(jì)，避免了傳統(tǒng)的叉式電極或規(guī)則形狀的電極只能在特定方向或角度收集能量的問(wèn)題，并能實(shí)現(xiàn)全方位、任意角度的能量收集，提高海洋能的轉(zhuǎn)換效率. 另外，磁鐵被3個(gè)彈簧固定，不僅充當(dāng)重物，受到海浪激勵(lì)時(shí)帶動(dòng)黏附在其底部的Al電極與PTFE薄膜摩擦；并且還與安裝在蜂窩狀電極底部的銅線圈構(gòu)成了電磁式發(fā)電機(jī)，當(dāng)磁鐵與線圈的相對(duì)位置發(fā)生改變時(shí)，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，線圈中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流. 這種獨(dú)特的設(shè)計(jì)使得TENG可以在獨(dú)立層模式和垂直接觸-分離模式之間自由切換，并實(shí)現(xiàn)波浪能在水平方向和垂直方向的收集和轉(zhuǎn)換.

EMG的工作原理決定了它必須在較大磁通量變化的條件下才可能產(chǎn)生足夠的輸出，而自然界中的海浪通常都是低頻的，很難驅(qū)動(dòng)磁鐵與線圈之間發(fā)生高頻大幅的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這也是傳統(tǒng)的EMG在海洋能收集方面應(yīng)用困難的原因. 此外，EMG與TENG的耦合會(huì)極大地增加TENG的質(zhì)量，減小后者在海浪驅(qū)動(dòng)下的機(jī)械運(yùn)動(dòng)幅度及靈活性，妨礙電學(xué)輸出. 基于以上問(wèn)題，Wu等人設(shè)計(jì)了“蹺蹺板”結(jié)構(gòu)的復(fù)合納米發(fā)電機(jī)[圖7(f)][62]. 與之前報(bào)道不同的是，將EMG和TENG分別安裝在“蹺蹺板”的兩端. 其中，TENG由半球形的4層結(jié)構(gòu)組成. 由于球形結(jié)構(gòu)，在微弱的海浪激勵(lì)下TENG也可以發(fā)生擺動(dòng)，輸出電能. 多層的密封結(jié)構(gòu)不僅增加了器件的集成度，提高了輸出，還保護(hù)了電極，防止海水以及周?chē)h(huán)境對(duì)TENG輸出的影響. EMG和TENG分別安裝，避免了EMG組成部件對(duì)TENG質(zhì)量的影響，根據(jù)杠桿原理，TENG安裝在支點(diǎn)近端，EMG安裝在支點(diǎn)遠(yuǎn)端，TENG的小幅擺動(dòng)可以轉(zhuǎn)換成磁鐵在EMG線圈內(nèi)的大幅運(yùn)動(dòng)，使得在低頻波浪條件下，EMG也能產(chǎn)生比較理想的電流輸出. 除此之外，該復(fù)合納米發(fā)電機(jī)還可以自動(dòng)調(diào)節(jié)方向，對(duì)各個(gè)方向的海洋波浪實(shí)現(xiàn)全方位的能量收集. 通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在振動(dòng)頻率為0.8 Hz的海浪驅(qū)動(dòng)下，該器件的TENG和EMG可分別實(shí)現(xiàn)760 V和10 mA的輸出，驅(qū)動(dòng)小型傳感器持續(xù)運(yùn)行. 該工作為EMG和TENG的復(fù)合結(jié)構(gòu)提供了新思路，為大規(guī)模低頻藍(lán)色能源的收集和應(yīng)用提供了創(chuàng)新而有效的方法.

綜上，摩擦納米發(fā)電技術(shù)以全新的工作原理及優(yōu)良的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)形成良好的互補(bǔ). TENG用于海洋能收集，會(huì)極大地促進(jìn)能源領(lǐng)域的發(fā)展，有望成為海洋能采集領(lǐng)域的新起點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)藍(lán)色能源夢(mèng).

4 總結(jié)與展望

風(fēng)能和海洋能都是儲(chǔ)量豐富、分布廣泛、可再生的清潔能源，它們的收集和轉(zhuǎn)換幾乎不會(huì)對(duì)環(huán)境造成任何污染，是解決能源危機(jī)和環(huán)境惡化的有效方案. TENG具有選材豐富、成本低廉、制備簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)靈活、可規(guī)模化應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)，而且在低頻無(wú)規(guī)則機(jī)械能收集方面展現(xiàn)出的優(yōu)異特性是傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)難以超越的. 作為一種全新且充滿活力的新能源技術(shù)，TENG有望開(kāi)辟風(fēng)能和海洋能收集轉(zhuǎn)換的新篇章.

摩擦納米發(fā)電技術(shù)自發(fā)明以來(lái)，已經(jīng)取得了很多重大的研究進(jìn)展，但仍存在一些不足和瓶頸. 首先，TENG的輸出功率仍然較低，盡管可以通過(guò)材料優(yōu)化和電源管理來(lái)提高表面電荷密度，但是由于空氣擊穿的制約，材料表面的電荷密度不可能無(wú)限提升. 從根本上研究TENG的空氣擊穿機(jī)理，探究其輸出極限，對(duì)進(jìn)一步推進(jìn)TENG的實(shí)際應(yīng)用非常關(guān)鍵；其次，TENG本質(zhì)是電容式發(fā)電機(jī)，對(duì)外供能時(shí)存在匹配阻抗過(guò)高的問(wèn)題；另外，雖然已經(jīng)開(kāi)發(fā)了很多收集風(fēng)能和海洋能的TENG，但設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換效率仍然有待進(jìn)一步提高.

探究新的器件結(jié)構(gòu)，引入高效的致振機(jī)理，進(jìn)一步提高環(huán)境機(jī)械能到TENG電極動(dòng)能再到電能的轉(zhuǎn)換效率，是未來(lái)本領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).

目前，大多數(shù)報(bào)道的設(shè)備目前仍處于實(shí)驗(yàn)室演示階段，要在實(shí)際環(huán)境中實(shí)踐應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走. 實(shí)際環(huán)境中的工作條件更加苛刻和復(fù)雜，當(dāng)TENG暴露于不同的外部環(huán)境時(shí)，可能會(huì)因?yàn)槭艿江h(huán)境影響而導(dǎo)致性能衰減. 此外，制作TENG目前大多采用的是較難降解的聚合物，因此，開(kāi)發(fā)對(duì)環(huán)境友好且性能穩(wěn)定可靠的新材料十分重要.