纳米能源所摩擦纳米发电机回收海水动能研究获进展

　　利用海洋能源，是当今世界能源研究的前沿方向。据统计，世界范围内海洋中的波浪能达700亿千瓦，占全部海洋能量的94%，是各种海洋能量的主体。然而，一个多世纪以来，海洋波浪能开发成本高、规模小、经济效益差，而陆地近海周期短、波高小、能流密度低等特征始终束缚着其大规模商业化开发利用和发展。新型、简易、可持续的海浪能量收集系统的研制和开发逐渐成为了社会关注的焦点。

　　中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林教授研究组，近期不断地研发出各种类型的摩擦纳米发电机，革新着人们对能量收集的传统概念。王中林教授团队创新地利用固液界面的摩擦起电现象，成功研制出水能摩擦纳米发电机，并用于对河流、雨滴、海浪的动能收集。通过摩擦纳米发电机四种基本模式的组合应用，可以高效地回收海洋中的动能资源，包括水的上下浮动，海浪，海流，海水的拍打。如果将这些摩擦纳米发电机结成网状放置到海洋中，根据估算，每平方公里的海面可以产生兆瓦级的电能，有可能成为新型的蓝色能源。最新的相关成果近期发表在《先进材料》（Adv. Mater.2014,26,4690）和《应用化学》（Angew. Chem.Int.Ed.2013,52,1），ACS Nano等国际期刊上。

　　1. 首次实现固液界面摩擦发电

　　一般认为，摩擦起电现象只有在相对干燥的条件下才能发生，但是王中林团队却发现，水面与特定的材料之间也会发生摩擦并且能够促使材料表面带有电荷。基于该发现，由林宗宏博士和程纲博士所组成的研究组研制出了能够收集水波动能的水能摩擦纳米发电机：将镀有金属电极的高分子聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜作为接触面，与上下浮动的水面之间不断发生接触和分离，同时通过聚二甲基硅氧烷背面的金属极板和水中的金属极板向外电路输出电流。实验结果表明，在与水面周期性的接触过程中，发电机输出电压达到52伏，输出电流密度为2.54mAm-2。峰值功率密度为0.13Wm-2。该研究成果发表在《应用化学》上(Angew. Chem.Int.Ed.2013,125,48)。

　　2. 同时收集水滴和波浪动能

　　为进一步简化结构，使用背面镀有金属电极的超疏水聚四氟乙烯（PTFE）薄膜作为摩擦表面，构建单电极结构的水能摩擦纳米发电机，实现水滴和波浪动能的同时收集。该发电机利用水滴与环境或摩擦表面的接触摩擦中带上的摩擦电荷，通过静电感应效应驱动自由电子在等电位和单电极之间来回转移，从而形成交流的输出电流。实验表明，在30微升水滴的作用下，该水能摩擦纳米发电机可输出电压9.3V，输出电流17µA，峰值功率为145µW。该研究成果发表在《先进材料》上(Adv. Mater., 2014, 26, 27)。

　　3. 利用水能摩擦纳米发电机全方位实现海浪发电

　　（1）利用海水上下浮动造成水面对海岸边物体的淹没和露出过程来发电。

　　在王中林教授的带领下，由朱光博士和苏元捷所组成的团队设计出了一种利用水波非对称屏蔽疏水性氟化乙烯丙烯薄膜（FEP），在其背面沉积彼此相连的条状电极，从而形成一种集成度很高的水能摩擦纳米发电机。该结构将摩擦材料、金属电极和基底全部集成在一个柔性的平面衬底上，这将有效地减小器件体积、减轻重量，大大简化发电机的结构和集成工艺。此外，该发电机还可以收集雨滴，峰值输出功率可达0.12mW。该研究成果发表在《美国化学学会纳米杂志》（ACS nano.,2014,8,6.）。

　　（2）利用海浪拍打岸边的冲击过程发电。

　　针对这一种能量模式，王中林教授所领导的由温肖楠和杨维清博士的团队研制出了一种包含波浪电极结构的摩擦纳米发电机。在外力冲击下，该波浪电极发生形变，将垂直的冲击力转变成侧向伸展，使得电极与平面的摩擦面发生滑动摩擦。当外力撤除后，由于自身的弹性，波浪型电极收缩回原来的形状。如此反复，促成了平面电极与波浪型电极之间自由电荷的转移，并形成电流。实验表明，在浪高0.2m、速率1.2m/s的人造波浪条件下，单个器件的输出电压达到30V，输出电流6µA。该研究成果发表在《美国化学学会纳米杂志》该研究成果发表在《美国化学学会纳米杂志》（ACS nano.,2014,8,7）。

　　（3）双重模式的水能摩擦纳米发电机。

　　在收集固液界面摩擦能的同时，收集海浪拍打的动能，以提高海浪能的回收利用率。为了实现这两种能量收集的有机结合，使用超疏水纳米化二氧化钛层，聚四氟乙烯薄膜和底电极构建用于收集固液界面摩擦能的发电机；由聚四氟乙烯薄膜、二氧化硅纳米颗粒层以及平面电极构建用于收集水浪和波浪冲击动能的发电机，将二者集成在同一器件上，形成双重模式的水能摩擦发电机。实验数据表明，在40mL/s的流速下，该摩擦纳米发电机的两个短路电流可分别达到43µA和 18µA，峰值输出能量密度为1.31Wm-2和0.38Wm-2。该研究成果发表在《美国化学学会纳米杂志》（ACS nano.,2014,8,6,6440–6448.）

　　（4）利用定向流动的水流发电。

　　 王中林教授所领导的由林宗宏博士和程纲博士所组成的研究组研制出转盘结构的复合摩擦纳米发电机，由前后两个同轴转动的滚轮式发电单元构成。其中，后面的滚轮通过叶片上沉积的金属电极和超疏水的聚四氟乙烯薄膜实现对水流静电摩擦能的收集，前面的滚轮为由定子和转子构成的转盘式摩擦纳米发电机，通过水流的冲击，使转子和定子之间不断发生滑动摩擦，从而产生交流的输出电流，实现对水流动能的收集。在固定水流大小54mL/s下，两个发电单元可分别输出开路电压 72V和102V，短路电流12.9µA和3.8µA，瞬时最大功率密度0.59W/m2和0.03W/m2。该研究成果发表在《美国化学学会纳米杂志》（ACS nano.,2014,8,6, 6440–6448.）

　　水能摩擦纳米发电机具有以下独特优势：首先，这是一种依靠全新原理和方法为基础的新型发电机，仅基于水面与器件直接的静电摩擦作用而发电，不需要额外的传送装置和部件来收集水波动能。其次，这种水能摩擦纳米发电机体积小、重量轻，结构简单和集成度高；第三，整个器件的材料和制造工艺成本低廉，有利于大规模工业生产和实际应用；第四，可选择的摩擦材料种类繁多，使发电机具有很强的环境兼容性。最后，整个器件以柔性聚合物膜为基本结构，易加工，寿命长，容易与其它加工工艺集成。由于以上优势，，水能摩擦纳米发电机具有非常广阔应用前景，不仅可以从河流、雨滴、海浪等多种水资源中获取能量，来补充我们日渐枯竭的能源系统。还可以将其集成在救生衣和水上导航设备上，将极大地降低对寿命有限的电源和电池的依赖，有效地提高失事飞机或船舶人员的存活几率和搜救效率。

海浪发电示意图