中国科学院海洋研究所InfoMat：基于浸没全开放式波浪能捕获固-液摩擦纳米发电机

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近年来，摩擦纳米发电机（TENG）在捕获波浪能方面展示出巨大的潜力和前景，其具有选材广泛，质量轻、成本低的优点。摩擦纳米发电机捕获波浪对实现自驱动电化学腐蚀防护具有重大意义。然而，该技术依然处于发展阶段，依然存在诸多挑战。目前为止，大部分的TENG捕获基于固-固模式，这种TENG容易被潮湿的海洋环境影响。而且结构精密制备过程复杂。因此，如何完全封装TENG到达全密封防水状态，避免输出性的下降是此类捕获发展的重要挑战。同时，如何简化此类捕获的结构和制备过程简化也是非常大的挑战。此外，TENG在海洋中的坚固地锚定是保障其长期稳定输出的重要因素。目前而言，无论是TENG单元还是网络，均未有有效的锚定手段。同时TENG网络的布设成本非常巨大，这个也是波浪能大范围捕获的主要障碍。

为解决上述问题，中国科学院海洋研究所王秀通研究员团队开发了一种用于海洋波能收集的简单且完全开放的固-液 TENG（SOSL-TENG）。SOSL-TENG 可适应各种水环境。由于结构简单，它很容易部署到各种现役海洋工程设施中。重要的是，这不仅解决了目前 TENG 网络建设困难的问题，还能有效利用波浪能资源。本研究系统地研究了 SOSL-TENG 的工作机理和输出性能。通过自驱动电化学腐蚀防护，展示了 SOSL-TENG 网络协同在自驱动电化学系统中的应用，也开展了自驱动电解海水制氢实验再次验证了SOSL-TENG 网络在波浪能捕获和自驱动电化学系统中的应用潜力。这项工作为大规模部署 TENG 应用，特别是在浪花飞溅区或水面收集波浪能提供了参考。该成果以“Submerged and completely open solid–liquid triboelectric nanogenerator for water wave energy harvesting”为题发表在InfoMat 上。第一作者为中国科学院海洋研究所博士后南有博，通讯作者为中国科学院海洋研究所王秀通研究员。

图1 SOSL-TENG的原理和工作机制。(A)SOSL-TENG捕获波浪应用部署蓝图。(B) SOSL-TENG的结构示意图。(C) SOSL-TENG的电流波形。(D) SOSL-TENG单周期工作机理（Cu:FEP面积比为1:4）。

研究人员展示了本工作可以部署在码头钢桩、风电场、海洋牧场和海上平台等海洋设施上的蓝图。SOSL-TENG固态薄膜摩擦层、内电极和小尺寸外电极组成。SOSL-TENG单个周期内电流变化过程曲线展示了TENG输出的动力学过程。

图2基于不同内电极（铜箔）和FEP面积比SOSL-TENG的工作机理和输出性能。(A)基于不同Cu箔和FEP面积比的SOSL-TENG示意图。(B)基于不同Cu箔和FEP面积比的SOSL-TENG电流波形。(C)基于不同Cu箔和FEP面积比SOSL-TENG的转移电荷。(D) Cu:FEP面积为1:1 SOSL-TENG单周期电流波形。

研究人员探究了基于不同内部电极（铜箔）和 FEP 面积比的 SOSL-TENG 的输出性能。结果表明，随着 Cu：FEP 面积比增加，Isc波形变宽。这意味着电荷传输速率变慢。此外，SOSL-TENG电荷转移曲线，结果表明随着 Cu：FEP 面积比增大，Qtr也随之增大。

图3负摩擦材料和激励频率对SOSL-TENG输出性能的影响。(A)不同负摩擦材料SOSL-TENG转移电荷曲线。(B)不同负摩擦材料SOSL-TENG短路电流曲线。(C) FEP、PTFE和Kapton的Zeta电位。(D)在0.1 - 2.0 Hz激励频率范围内，SOSL-TENG的转移电荷曲线。(E)不同负载（激励频率为1Hz）下SOSL-TENG的输出电流和峰值功率密度。(F) SOSL-TENG对不同容量电容器的充电电压曲线（激励频率为1hz）。(G)不同浓度NaCl溶液的电导率。(H)基于不同浓度NaCl溶液SOSL-TENG的短路电流曲线。(I) 基于不同浓度NaCl溶液SOSL-TENG的转移电荷曲线。

本实验探讨了不同负摩擦材料SOSL-TENG 的输出性能。结果表明基于FEP 薄膜的SOSL-TENG展示出了最佳输出性能（Q_tr= 2.58 μC，I_sc= 85.9 μA，V_oc= 208 V），主要归因于FEP高的电负性和良好的疏水性。也探索SOSL-TENG的对频率响应，评价了不同激励频率下的输出性。结果表明，随着驱动频率的增加，SOSL-TENG的Q_tr呈现单峰模式。当驱动频率为1 Hz时，Qtr达到最大值（Q_tr=2.58 μC）。溶液电导率是影响SOSL-TENG内外电极导通形成回路后电荷转移速度的重要因素。低浓度范围内的NaCl溶液促进了SOSL-TENG回路中电荷的转移速率，提升了其的电流输出性能。然而，高浓的NaCl溶液虽然具备高导电率的性能，但同时产生了屏蔽现象阻碍了电子转移过程。

图4 SOSL-TENG捕获波浪能的输出性能。(A)单个SOSL-TENG捕获和转换波浪能的示意图。(B) SOSL-TENG捕获不同频率波浪能短路电流曲线。(C) SOSL-TENG捕获不同频率波浪能转移电荷。(D)SOSL-TENG网络捕获和转换波浪能的示意图。(E) SOSL-TENG网络捕获不同频率波浪能短路电流曲线。(F) SOSL-TENG网络捕获不同频率波浪能转移电荷。(G) SOSL-TENG网络捕获1Hz波浪能输出电压和峰值功率密度。(H) SOSL-TENG网络捕获1Hz波浪能为不同电容器充电电压曲线。(I) SOSL-TENG网络运行5400个周期短路电流曲线

实验结果表明SOSL-TENG有望大面积布设构建TENG网络。这能够提高其对海洋波浪能的捕获效率，增强对海洋环境的适应性。SOSL-TENG网络5400个周期的Isc曲线，发现它几乎没有变化，表明SOSL-TENG具有优异的耐久性。

图5 SOSL-TENG网络的应用演示。(A) SOSL-TENG网络捕获0.5 Hz的波浪能并驱动数十个串联LED工作光学照片。(B) SOSL-TENG网络驱动32个功率为1 W的LED灯珠工作光学照片。(C) SOSL-TENG网络驱动警示灯工作。(D) SOSL-TENG网络驱动温湿度计工作。(E) SOSL-TENG网络电解海水制氢。(F) Q235碳钢间歇性偶联SOSL-TENG网络OCP变化曲线。(G) Q235碳钢间歇性偶联SOSL-TENG网络阴极保护电流变化曲线。(H) Q235碳钢在3.5wt% NaCl溶液中偶联SOSL-TENG网络阴极保护的金相图

基于SOSL-TENG网络优异的波浪捕获和电能转化性能。SOSL-TENG网络在自供能小型电子设备方面的应用。这些应用表明，它有望用作自供能模式的海洋环境夜间照明导航，捕鱼和警示等。自驱动电化学腐蚀防护在海洋工程腐蚀防护方面具有重要的应用前景。这里，探究了基于SOSL-TENG网络的自驱动电化学腐蚀防护系统，实验结果表明SOSL-TENG网络能对Q235形成稳定的保护过程。  

Submerged and completely open solid–liquid triboelectric nanogenerator for water wave energy harvesting

Youbo Nan, Xiutong Wang*, Hui Xu , Hui Zhou, Yanan Sun, Mingxing Wang, Weilong Liu, Chaoqun Ma, Teng Yu

DOI: 10.1002/inf2.12621

Citation: InfoMat, 2024, e12621

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《信息材料（英文）》（InfoMat）是由电子科技大学和Wiley出版集团共同主办的国产金色OA学术期刊，聚焦信息技术与材料、物理、能源、生物传感以及人工智能等新兴交叉领域前沿研究，创刊主编为李言荣院士。

● 国产金色OA英文期刊

● 影响因子22.7；CiteScore37.7

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● 中国科技期刊卓越行动计划二期项目英文梯队期刊

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● 2021、2022、2023年连续三年获评已进入世界期刊TOP5%

● 发表原创性研究论文、综述、前瞻性论文

期刊主页：http://www.wileyonlinelibrary.com/journal/infomat

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