現(xiàn)如今，人類社會正面臨著許多緊迫的問題，如能源危機(jī)、氣候變化、環(huán)境污染等。為了緩解這些因過度開采化石燃料而造成的問題，開發(fā)可再生的清潔能源是一種理想的解決方法。流體能，如風(fēng)能或水流能，在自然界中廣泛存在，其中蘊(yùn)含著巨大的能量，對它的開發(fā)和利用有望緩解當(dāng)今世界面臨的能源危機(jī)。

中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士、吳治嶧研究員等人報道了一種基于旋轉(zhuǎn)-平移機(jī)制的多層疊加式摩擦納米發(fā)電機(jī)（MLS-TENG），用于收集流體能量并應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)。該機(jī)制是將流體誘導(dǎo)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為MLS-TENG的相互平移，從而將流體能量轉(zhuǎn)換為電能。此外，受益于多層疊加的結(jié)構(gòu)設(shè)計，開路電壓從860 V提高到2410 V，在實際河流中獲得了2 mJ min-1的高效能量采集率。此外，作者基于MLS-TENG構(gòu)建了一個自供電的無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)和一個金屬防腐系統(tǒng)。這項研究為有效收集環(huán)境流體能量提供了指導(dǎo)，在環(huán)境監(jiān)測和保護(hù)方面具有廣闊的應(yīng)用前景。該研究以題為“A Multi-Layer Stacked Triboelectric Nanogenerator Based on a Rotation-to-Translation Mechanism for Fluid Energy Harvesting and Environmental Protection”的論文發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。

【MLS-TENG的設(shè)計與工作原理】

作者設(shè)計了一個用于環(huán)境能量采集的MLS-TENG。其滑塊和定子直接堆疊在一起，且滑塊是與桿連接的，因此在法線方向的運(yùn)動沒有受到限制。TENG單元中以尼龍作為正摩擦材料，定子使用聚四氟乙烯作為負(fù)摩擦材料，銅作為電極。當(dāng)圓柱形凸輪旋轉(zhuǎn)時，從動桿的軸承被凸輪槽的側(cè)壁推動，從而將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為線性往復(fù)運(yùn)動。在初始階段，聚四氟乙烯薄膜與尼龍薄膜充分接觸，由于摩擦起電原理，聚四氟乙烯薄膜表面帶負(fù)電，尼龍薄膜帶正電，兩者的總電荷相等。當(dāng)圓柱形凸輪旋轉(zhuǎn)并帶動尼龍膜往復(fù)運(yùn)動時，銅電極上的自由電荷將在外部負(fù)載的作用下重新分布，根據(jù)靜電感應(yīng)原理平衡電位差的變化，電荷在兩個電極之間循環(huán)傳遞，因此產(chǎn)生電輸出。

圖1 MLS-TENG的結(jié)構(gòu)

圖2 MLS-TENG的工作原理

【MLS-TENG的輸出性能】

為了研究MLS-TENG在不同轉(zhuǎn)速下的輸出性能，作者使用旋轉(zhuǎn)電機(jī)來驅(qū)動MLS-TENG。結(jié)果表明，不同轉(zhuǎn)速下的開路電壓和短路電流隨著層數(shù)的增加而穩(wěn)步增加，這說明MLS-TENG具有良好的堆疊效應(yīng)，電壓可從860 V增加到2410 V，電流從5.6 μA增加到18.35 μA。為了更好地了解MLS-TENG在施加外部負(fù)載時的輸出性能，作者在凸輪轉(zhuǎn)速為60 rpm時測量了5層MLS-TENG的峰值電壓和峰值功率與負(fù)載電阻之間的關(guān)系。在負(fù)載電阻為20 MΩ時，其最大輸出功率為10.58 mW。此外，在能量管理系統(tǒng)（EMS）的幫助下，MLS-TENG的充電速度提高了≈9.1倍。最后，作者測試了MLS-TENG的耐久性。在以30 rpm的轉(zhuǎn)速下不間斷運(yùn)行≈10800次之后，MLS-TENG的電荷密度僅有約7.02%的輕微衰減，展現(xiàn)出了出色的穩(wěn)定性。

圖3 MLS-TENG的電輸出性能

【MLS-TENG的應(yīng)用演示】

基于該MLS-TENG，作者建立了一個自供電的無線溫度和濕度傳感系統(tǒng)，用于環(huán)境監(jiān)測。當(dāng)MLS-TENG開始工作時，電容器僅在183秒內(nèi)即能被充電到3.4 V的工作電壓，且每49.7秒可進(jìn)行一次無線數(shù)據(jù)傳輸。此外，作者還將具有不同層數(shù)的MLS-TENG在河流的低速和高速區(qū)域進(jìn)行有效的能量采集。通過記錄用于儲存能量的電容器的電壓，作者計算出了MLS-TENG的能量收集率，5層的能量收集率達(dá)到2 mJ min-1，1層的能量收集率達(dá)到0.46 mJ min-1。這表明MLS-TENG可以在河流的各個部分進(jìn)行有效的能量采集。最后，作者使用MLS-TENG作為動力源為金屬提供陰極保護(hù)。當(dāng)碳鋼與MLS-TENG連接時，其開路電位值與初始狀態(tài)相比下降了477.3 mV，驗證了MLS-TENG對金屬防腐的有效性。碳鋼的腐蝕電位也從-1.218正移到-0.618 V，這表明MLS-TENG可以為金屬提供有效的陰極保護(hù)。作者將有無MLS-TENG的碳鋼在鹽水中浸泡3小時后進(jìn)行了對比，為基于MLS-TENG的自供電金屬防腐系統(tǒng)所提供的防腐效果提供了一個直觀的展示。

圖4 MLS-TENG在環(huán)境監(jiān)測和能量采集方面的應(yīng)用

圖5 MLS-TENG在金屬防腐中的應(yīng)用

總結(jié)：作者制作了一個基于旋轉(zhuǎn)-平移機(jī)制的MLS-TENG，用于流體能量的采集和環(huán)境保護(hù)。通過合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，MLS-TENG的各層可以高效、便捷地疊加，在實際的河流中，其能量收集率達(dá)到2 mJ min-1?；谠揗LS-TENG，作者構(gòu)建了一個自供電的無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，每49.7秒可進(jìn)行一次無線數(shù)據(jù)傳輸。作者還構(gòu)建了一個自供電的金屬防腐系統(tǒng)，可以顯著降低碳鋼的腐蝕率。這項工作有助于在未來實現(xiàn)可再生清潔能源的采集、自供電的環(huán)境監(jiān)測和保護(hù)。