背景
海洋蕴藏着丰富的自然资源，栖息着数以万计的物种，也在全球气候系统中扮演着关键角色。随着环境保护挑战的加剧，有效的海洋监测显得更加迫切，这对于设计具体的保护策略、维护海洋生态健康及其持续性至关重要。然而，海洋的辽阔和复杂的环境条件给监测设备，特别是物联网节点带来了极大的挑战。其中，利用海洋环境中的原位能量为海洋观测节点提供电力是克服这些限制的可行解决方案。摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator, TENG）是一种全新的机电转换技术，在2012年提出之后取得了长足的发展，现已成为海洋动能（蓝色能源）收集的重要发展方向之一。
然而，海浪的低频随机运动仍然限制了TENG的电流输出，复杂多变的环境同时对能量收集装置的寿命带来了严峻的挑战。针对这些问题，香港科技大学（广州）胡国标教授团队，大连海事大学徐敏义教授团队提出了一种基于多轨道光栅电极和反向电荷增强效应的滚动式摩擦纳米发电机（multi-tunnel grating electrodes and opposite-charge-enhancement TENG, MO-TENG），该能量收集单元在海浪时变的随机激励下，瞬时功率密度来到185.4 W/(m3·Hz)。在此基础上，团队设计并研发了一个集成MO-TENG单元以及水质传感器的海洋浮标，以此来实现波浪能量的原位提取以及海洋物联网节点的持续供能。
图文导读
图1：MO-TENG的结构设计及提升策略。（a）MO-TENG的结构示意图。（b-e）本工作采用的滚动模式（b）、隧道状电极（c）、格栅电极（d）和反向电荷增强策略（e）。（f）F-TENG、M-TENG和MO-TENG产生的短路电流和转移电荷的比较。（g）MO-TENG与其他滚动式TENG的峰值功率和最优匹配电阻的比较。（h）MO-TENG的潜在应用场景。
图2：MO-TENG的设计及工作原理。（a）滚动模式TENG模型的尺寸参数。（b-g）F-TENG（b-c）、M-TENG（d-e）、MO-TENG（f-g）的X-Y和Y-Z视图。（h-i）无/有介电球多隧道光栅电极的实物图片。（j）三元摩擦电材料之间的电子跃迁图。（k-m）MO-TENG发电的工作原理。
图3：MO-TENG的材料选择。（a-c）M-TENG使用不同材料的开路电压（Voc）、短路电流（Isc）和短路转移电荷量（Qsc）。（d）MO-TENG使用不同材料组合的输出性能。（e）MO-TENG的电荷积累过程。（f）M-TENG和MO-TENG之间的输出比较。（g）MO-TENG的电压和电流数据波形。
图4：MO-TENG的输出性能测试。（a-b）MO-TENG在不同摆动角度和频率激励下的输出。（c）MO-TENG和M-TENG的瞬时功率输出比较。（d）MO-TENG的耐久性测试。（e）未使用的PTFE球、Nylon球和Cu电极（第一行子图：1、3、5）以及使用10天后的扫描电镜图像（SEM）（第二行子图：2、4、6）。（f）在摆动平台和规则波激励下，十个MO-TENG单元堆叠的峰值和RMS功率与外接电阻的匹配关系。（g）功率管理模块（Power Management Module, PMM）的电路示意图。（h）MO-TENG单元在使用/不使用PMM条件下的RMS功率与电阻匹配关系。（i）MO-TENG单元在使用/不使用PMM条件下的电容器（100 μF）充电速度比较。（j）MO-TENG叠堆（十个单元）在使用PMM时对不同电容器的充电曲线图。
图5：MO-TENG的应用演示。（a）MO-TENG叠堆（10个单元）的实物图。（b）使用堆叠的MO-TENG点亮120个发光二极管。子图分别显示了光照条件（i）和黑暗条件（ii）下的发光效果。（c）自供能海洋监测系统（self-powered ocean sensing system, SOS system）的架构。（d）由3自由度平台激励的自供能水质传感测试。（e-g）自供能传感过程中储能电容充放电曲线。（h-m）规则波浪水槽（h-i）、随机波浪水池（j-k）和真实海洋环境（l-m）中自供能传感过程的现场和电压充放电曲线。（n）浮标圆顶中的辅助电路。（o-p）接收端和浮标（发射端）的位置分布。（q）SOS系统传输距离的图示。
Demo展示
十层MO-TENG叠堆用于点亮发光二极管
十层MO-TENG叠堆用于自供能无线水质监测
集成MO-TENG的浮标在波浪的激励下直接点亮商用航标灯
集成MO-TENG的浮标在波浪的激励下实现自供能原位无线水质传感
集成MO-TENG的浮标在随机波浪的激励下实现自供能原位无线水质传感
集成MO-TENG的浮标在真实海洋波浪的激励下实现自供能原位无线水质传感
总结
本工作设计并制作了一种用于收集波浪能量的滚动式摩擦纳米发电机（MO-TENG），利用多隧道光栅电极和反向电荷增强效应，在海浪变换的低频激励下能够提供185.4 W/(m3·Hz)的瞬时功率密度。通过将MO-TENG单元堆叠并集成于海洋浮标中，该设备实现了完全自供能的原位海洋水质无线监测，并已在真实海洋环境中进行了充分验证。这些成果不仅展示了MO-TENG的卓越性能，也证明了其在海洋物联网和海洋数字孪生领域中作为自供能传感节点的巨大潜力。
该研究工作得到科技部国家重点研发计划，国家自然科学基金（青年项目）的资助。
研究团队
香港科技大学（广州）博士研究生王雅巍，大连海事大学硕士研究生杜恒旭、杨恒一、席子岳为本论文共同第一作者。香港科技大学（广州）助理教授胡国标，大连海事大学王昊副教授、徐敏义教授为该文共同通讯作者。
胡国标教授课题组网站：sms-lab.github.io
徐敏义教授课题组网站：www.mspslab.cn
论文信息
发布期刊Nature Communications
发布时间 2024年8月9日
文章标题A rolling-mode triboelectric nanogenerator with multi-tunnel grating electrodes and opposite-charge-enhancement for wave energy harvesting
（https://doi.org/10.1038/s41467-024-51245-5）
