納米能源所摩擦納米發電機回收海水動能研究獲進展

　　利用海洋能源，是當今世界能源研究的前沿方向。據統計，世界范圍內海洋中的波浪能達700億千瓦，占全部海洋能量的94%，是各種海洋能量的主體。然而，一個多世紀以來，海洋波浪能開發成本高、規模小、經濟效益差，而陸地近海周期短、波高小、能流密度低等特征始終束縛著其大規模商業化開發利用和發展。新型、簡易、可持續的海浪能量收集系統的研制和開發逐漸成為了社會關注的焦點。

　　中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林教授研究組，近期不斷地研發出各種類型的摩擦納米發電機，革新著人們對能量收集的傳統概念。王中林教授團隊創新地利用固液界面的摩擦起電現象，成功研制出水能摩擦納米發電機，并用于對河流、雨滴、海浪的動能收集。通過摩擦納米發電機四種基本模式的組合應用，可以高效地回收海洋中的動能資源，包括水的上下浮動，海浪，海流，海水的拍打。如果將這些摩擦納米發電機結成網狀放置到海洋中，根據估算，每平方公里的海面可以產生兆瓦級的電能，有可能成為新型的藍色能源。最新的相關成果近期發表在《先進材料》（Adv. Mater.2014,26,4690）和《應用化學》（Angew. Chem.Int.Ed.2013,52,1），ACS Nano等國際期刊上。

　　1. 首次實現固液界面摩擦發電

　　一般認為，摩擦起電現象只有在相對干燥的條件下才能發生，但是王中林團隊卻發現，水面與特定的材料之間也會發生摩擦并且能夠促使材料表面帶有電荷。基于該發現，由林宗宏博士和程綱博士所組成的研究組研制出了能夠收集水波動能的水能摩擦納米發電機：將鍍有金屬電極的高分子聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜作為接觸面，與上下浮動的水面之間不斷發生接觸和分離，同時通過聚二甲基硅氧烷背面的金屬極板和水中的金屬極板向外電路輸出電流。實驗結果表明，在與水面周期性的接觸過程中，發電機輸出電壓達到52伏，輸出電流密度為2.54mAm-2。峰值功率密度為0.13Wm-2。該研究成果發表在《應用化學》上(Angew. Chem.Int.Ed.2013,125,48)。

　　2. 同時收集水滴和波浪動能

　　為進一步簡化結構，使用背面鍍有金屬電極的超疏水聚四氟乙烯（PTFE）薄膜作為摩擦表面，構建單電極結構的水能摩擦納米發電機，實現水滴和波浪動能的同時收集。該發電機利用水滴與環境或摩擦表面的接觸摩擦中帶上的摩擦電荷，通過靜電感應效應驅動自由電子在等電位和單電極之間來回轉移，從而形成交流的輸出電流。實驗表明，在30微升水滴的作用下，該水能摩擦納米發電機可輸出電壓9.3V，輸出電流17μA，峰值功率為145μW。該研究成果發表在《先進材料》上(Adv. Mater., 2014, 26, 27)。

　　3. 利用水能摩擦納米發電機全方位實現海浪發電

　　（1）利用海水上下浮動造成水面對海岸邊物體的淹沒和露出過程來發電。

　　在王中林教授的帶領下，由朱光博士和蘇元捷所組成的團隊設計出了一種利用水波非對稱屏蔽疏水性氟化乙烯丙烯薄膜（FEP），在其背面沉積彼此相連的條狀電極，從而形成一種集成度很高的水能摩擦納米發電機。該結構將摩擦材料、金屬電極和基底全部集成在一個柔性的平面襯底上，這將有效地減小器件體積、減輕重量，大大簡化發電機的結構和集成工藝。此外，該發電機還可以收集雨滴，峰值輸出功率可達0.12mW。該研究成果發表在《美國化學學會納米雜志》（ACS nano.,2014,8,6.）。

　　（2）利用海浪拍打岸邊的沖擊過程發電。

　　針對這一種能量模式，王中林教授所領導的由溫肖楠和楊維清博士的團隊研制出了一種包含波浪電極結構的摩擦納米發電機。在外力沖擊下，該波浪電極發生形變，將垂直的沖擊力轉變成側向伸展，使得電極與平面的摩擦面發生滑動摩擦。當外力撤除后，由于自身的彈性，波浪型電極收縮回原來的形狀。如此反復，促成了平面電極與波浪型電極之間自由電荷的轉移，并形成電流。實驗表明，在浪高0.2m、速率1.2m/s的人造波浪條件下，單個器件的輸出電壓達到30V，輸出電流6μA。該研究成果發表在《美國化學學會納米雜志》該研究成果發表在《美國化學學會納米雜志》（ACS nano.,2014,8,7）。

　　（3）雙重模式的水能摩擦納米發電機。

　　在收集固液界面摩擦能的同時，收集海浪拍打的動能，以提高海浪能的回收利用率。為了實現這兩種能量收集的有機結合，使用超疏水納米化二氧化鈦層，聚四氟乙烯薄膜和底電極構建用于收集固液界面摩擦能的發電機；由聚四氟乙烯薄膜、二氧化硅納米顆粒層以及平面電極構建用于收集水浪和波浪沖擊動能的發電機，將二者集成在同一器件上，形成雙重模式的水能摩擦發電機。實驗數據表明，在40mL/s的流速下，該摩擦納米發電機的兩個短路電流可分別達到43μA和 18μA，峰值輸出能量密度為1.31Wm-2和0.38Wm-2。該研究成果發表在《美國化學學會納米雜志》（ACS nano.,2014,8,6,6440–6448.）

　　（4）利用定向流動的水流發電。

　　 王中林教授所領導的由林宗宏博士和程綱博士所組成的研究組研制出轉盤結構的復合摩擦納米發電機，由前后兩個同軸轉動的滾輪式發電單元構成。其中，后面的滾輪通過葉片上沉積的金屬電極和超疏水的聚四氟乙烯薄膜實現對水流靜電摩擦能的收集，前面的滾輪為由定子和轉子構成的轉盤式摩擦納米發電機，通過水流的沖擊，使轉子和定子之間不斷發生滑動摩擦，從而產生交流的輸出電流，實現對水流動能的收集。在固定水流大小54mL/s下，兩個發電單元可分別輸出開路電壓 72V和102V，短路電流12.9μA和3.8μA，瞬時最大功率密度0.59W/m2和0.03W/m2。該研究成果發表在《美國化學學會納米雜志》（ACS nano.,2014,8,6, 6440–6448.）

　　水能摩擦納米發電機具有以下獨特優勢：首先，這是一種依靠全新原理和方法為基礎的新型發電機，僅基于水面與器件直接的靜電摩擦作用而發電，不需要額外的傳送裝置和部件來收集水波動能。其次，這種水能摩擦納米發電機體積小、重量輕，結構簡單和集成度高；第三，整個器件的材料和制造工藝成本低廉，有利于大規模工業生產和實際應用；第四，可選擇的摩擦材料種類繁多，使發電機具有很強的環境兼容性。最后，整個器件以柔性聚合物膜為基本結構，易加工，壽命長，容易與其它加工工藝集成。由于以上優勢，，水能摩擦納米發電機具有非常廣闊應用前景，不僅可以從河流、雨滴、海浪等多種水資源中獲取能量，來補充我們日漸枯竭的能源系統。還可以將其集成在救生衣和水上導航設備上，將極大地降低對壽命有限的電源和電池的依賴，有效地提高失事飛機或船舶人員的存活幾率和搜救效率。

海浪發電示意圖