未來藍色能源：摩擦納米發(fā)電機回收海水動能!

　　利用海洋能源，是當(dāng)今世界能源研究的前沿方向。據(jù)統(tǒng)計，世界范圍內(nèi)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(fā)成本高、規(guī)模小、經(jīng)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(guī)模商業(yè)化開發(fā)利用和發(fā)展。新型、簡易、可持續(xù)的海浪能量收集系統(tǒng)的研制和開發(fā)逐漸成為了社會關(guān)注的焦點。

　　美國佐治亞理工學(xué)院和中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林教授研究組，近期不斷的研發(fā)出各種類型的摩擦納米發(fā)電機，革新著人們對能量收集的傳統(tǒng)概念。王中林教授團隊創(chuàng)新地利用固液界面的摩擦起電現(xiàn)象，成功研制出水能摩擦納米發(fā)電機，并用于對河流、雨滴、海浪的動能收集。通過摩擦納米發(fā)電機四種基本模式的組合應(yīng)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(fā)電機結(jié)成網(wǎng)狀放置到海洋中，根據(jù)估算，每平方公里的海面可以產(chǎn)生兆瓦級的電能，有可能成為新型的藍色能源。最新的相關(guān)成果近期發(fā)表在《先進材料》(Adv.Mater.2014,26,4690)和《應(yīng)用化學(xué)》(Angew.Chem.Int.Ed.2013,52,1)，ACSNano等國際知名期刊上。

　　1. 首次實現(xiàn)固液界面摩擦發(fā)電

　　一般認為摩擦起電現(xiàn)象只有在相對干燥的條件下才能發(fā)生，但是王中林教授團隊卻發(fā)現(xiàn)，水面與特定的材料之間也會發(fā)生摩擦并且能夠促使材料表面帶有電荷。基于該發(fā)現(xiàn)，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(fā)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(fā)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(jié)果表明，在與水面周期性的接觸過程中，發(fā)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(fā)表在《應(yīng)用化學(xué)》上(Angew.Chem.Int.Ed.2013,125,48)。

　　2. 同時收集水滴和波浪動能的

　　為進一步簡化結(jié)構(gòu)，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(gòu)建單電極結(jié)構(gòu)的水能摩擦納米發(fā)電機，實現(xiàn)水滴和波浪動能的同時收集。該發(fā)電機利用水滴與環(huán)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(yīng)效應(yīng)驅(qū)動自由電子在等電位和單電極之間來回轉(zhuǎn)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(fā)電機可輸出電壓9.3V，輸出電流17A，峰值功率為145W。該研究成果發(fā)表在《先進材料》上(Adv.Mater.,2014,26,27)。

　　3. 利用水能摩擦納米發(fā)電機全方位實現(xiàn)海浪發(fā)電

　?。?）、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(fā)電。

　　在王中立教授的帶領(lǐng)下，由朱光博士和蘇元捷所組成的團隊設(shè)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(fā)電機。該結(jié)構(gòu)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(fā)電機的結(jié)構(gòu)和集成工藝。此外，該發(fā)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(fā)表在《美國化學(xué)學(xué)會納米雜志》(ACSnano.,2014,8,6.)。

　　（2）、利用海浪拍打岸邊的沖擊過程發(fā)電。

　　針對這一種能量模式，王中林教授所領(lǐng)導(dǎo)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(jié)構(gòu)的摩擦納米發(fā)電機。在外力沖擊下，該波浪電極發(fā)生形變，將垂直的沖擊力轉(zhuǎn)變成側(cè)向伸展，使得電極與平面的摩擦面發(fā)生滑動摩擦。當(dāng)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(fù)，促成了平面電極與波浪型電極之間自由電荷的轉(zhuǎn)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6A。該研究成果發(fā)表在《美國化學(xué)學(xué)會納米雜志》該研究成果發(fā)表在《美國化學(xué)學(xué)會納米雜志》(ACSnano.,2014,8,7)。

　?。?）、雙重模式的水能摩擦納米發(fā)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(xiàn)這兩種能量收集的有機結(jié)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(gòu)建用于收集固液界面摩擦能的發(fā)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(gòu)建用于收集水浪和波浪沖擊動能的發(fā)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(fā)電機。實驗數(shù)據(jù)表明，在40mL/s的流速下，該摩擦納米發(fā)電機的兩個短路電流可分別達到43A和18A，峰值輸出能量密度為1.31Wm-2和0.38Wm-2。該研究成果發(fā)表在《美國化學(xué)學(xué)會納米雜志》(ACSnano.,2014,8,6,64406448.)

　?。?）、利用定向流動的水流發(fā)電。王中林教授所領(lǐng)導(dǎo)的由林宗宏博士和程綱博士所組成的研究組研制出轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)的復(fù)合摩擦納米發(fā)電機，由前后兩個同軸轉(zhuǎn)動的滾輪式發(fā)電單元構(gòu)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(xiàn)對水流靜電摩擦能的收集，前面的滾輪為由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成的轉(zhuǎn)盤式摩擦納米發(fā)電機，通過水流的沖擊，使轉(zhuǎn)子和定子之間不斷發(fā)生滑動摩擦，從而產(chǎn)生交流的輸出電流，實現(xiàn)對水流動能的收集。在固定水流大小54mL/s下，兩個發(fā)電單元可分別輸出開路電壓72V和102V，短路電流12.9A和3.8A，瞬時最大功率密度0.59W/m2和0.03W/m2。該研究成果發(fā)表在《美國化學(xué)學(xué)會納米雜志》(ACSnano.,2014,8,6,64406448.)

　　水能摩擦納米發(fā)電機具有以下獨特優(yōu)勢：首先，這是一種依靠全新原理和方法為基礎(chǔ)的新型發(fā)電機，僅基于水面與器件直接的靜電摩擦作用而發(fā)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(fā)電機體積小、重量輕，結(jié)構(gòu)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(guī)模工業(yè)生產(chǎn)和實際應(yīng)用;第四，可選擇的摩擦材料種類繁多，使發(fā)電機具有很強的環(huán)境兼容性。最后，整個器件以柔性聚合物膜為基本結(jié)構(gòu)，易加工，壽命長，容易與其它加工工藝集成。由于以上優(yōu)勢，，水能摩擦納米發(fā)電機具有非常廣闊應(yīng)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?nèi)諠u枯竭的能源系統(tǒng)。還可以將其集成在救生衣和水上導(dǎo)航設(shè)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。