新型三电纳米发电机正尝试赶上新浪潮

ISTOCK

许多海洋能源项目都想将规模扩大，铺设大型浮标（https://www.mdpi.com/2077-1312/10/5/566），通过机械方式将波浪转换成电能，但开发波浪能还有另一种方法：缩减规模。十多年来，材料科学家一直在调整研发微小尺度的材料，以便从流动的水中收集电荷。现在，中国长沙中南大学的一个研究小组从根本上改变了其中一个装置的设计，成功地将其目前的收集能力提高了一倍多。

准确地说，这一研究小组的设备被称为摩擦纳米发电机（TENG，triboelectric nanogenerator）。正如其名，TENG依靠的是摩擦电效应：如果一种材料与另一种材料发生摩擦，电荷就会从一种材料转移到另一种材料。如果材料正确，TENG就能将移动电荷转化为电能。名称中的“纳米”部分则来自材料（https://spectrum.ieee.org/energy-harvesting-wearable-tech）：要制造有效的TENG，需要用非常小的结构来塑造材料，以调整电交换，从而汲取更多的电流。

波浪能需要更多的新思路。该领域曾有过许多错误的出发点，迄今为止安装的功率还不到千兆瓦（https://ocean.economist.com/innovation/articles/could-the-future-of-marine-energy-be-onshore）。但乐观的设想是，到205年，全球波浪能装机容量可能达到100千兆瓦。波浪发电对岛国和偏远岛屿社区尤其具有吸引力（https://www.weforum.org/agenda/2022/03/wave-energy-ocean-electricity-renewables/）；因为在这些地方，发电厂用地可能稀缺，但波浪却永远不缺。

纳米发电机走向摩擦电技术

TENG是一项相对较新的发明。2012年，北京科技大学和佐治亚理工学院的材料科学家在尝试构建磁场传感器时首次创造了这种装置（https://pubs.acs.org/doi/epdf/10.1021/nn304374m）。研究人员很快意识到，这种装置可以用作能量收集器。一年后，佐治亚理工学院的同一研究小组推出了依靠水的TENG（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201307249）。当水波冲过纳米级硅胶金字塔阵列时，该装置产生了非常小的电流。

研究人员之所以如此热衷于这种液固结合的TENG，部分原因在于水本身就是电交换的参与者之一。因此，该装置因摩擦而产生的磨损应该会小得多。此外，它还不需要弹簧、转子、涡轮或任何其他机械部件。不过，液固式TENG要想成为可靠的电源，还有很长的路要走。它们即无法产生足够的电流量以投入实际生产，也无法保证产出可以持续满足需求的稳定电流。

因此，这一设备的基本设计仍然在经受审视与改进，以努力提高其性能。标准的液-固TENG看起来就像一个密封的管子，里面装有一部分水，中间放置一个电极。当管子在波浪中来回摇晃时，水在管子内晃动并穿过电极，从而产生电流。

长沙研究小组决定将电极移到管子的一端。理想情况下，这样可以让电极接触到更多的水量、更多的电荷，并产生更大的电流。在通过计算建模展示了他们的设计优势之后，研究人员制作了一个聚合物管，并在其中注入去离子水，将其放置在一个倾斜的水平平台上，让它来回摆动。

事实上，他们的确观察到了一些显著的变化。与标准的液-固TENG相比，长沙小组的装置产生的电压是它的3.5倍，电流是它的2.3倍，电量是它的3.5倍。此外，研究人员还利用水在25厘米长的管子中的晃动，点亮了由35个发光二极管组成的阵列并让他们不停闪烁。

研究人员同时展示了一项额外的收获，他们改进后的新型TENG能够产生微弱的无线电信号。他们将一个天线与浸没在另一个水箱中的电极连接起来。一个接收电极在40厘米外就能接收到信号。研究人员梦想着在海底安装类似的由TENG供电的设备，在那里它们或许可以充当一些水下通信网络的节点。

这些都只是微弱的进步，而像这样的TENG可能无法立刻在电网中大显身手。但长沙研究小组的实验表明，这种装置有朝一日可能成为那些远离岸上电线的水下装置的实用电源。

中南大学应用物理学家Guozhang Dai说："它可能会被用于环境监测、水下勘探和水下数据传输，涉及海洋研究、海上能源和水下机器人等多个行业。“

该研究小组于4月3日在《ACS能源通讯》（ACS Energy Letters）杂志上发表了他们的研究成果（https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.4c00072）。

供稿：胡乐