纳米发电机，王中林又有新动作！

王中林课题组

2018-07-13

第一作者：肖天笑、梁茜、蒋涛

通讯作者：王中林

通讯单位：中科院北京纳米能源与系统研究所、佐治亚理工学院

研究亮点：

1. 通过耦合弹簧及多层结构集成多个基本发电单元，成功制备可以高效收集水波能的球形摩擦纳米发电机。

2. 单个球形发电机的电流输出较以往球形发电机提高两个数量级以上，单球最大输出功率达到7.96 mW。

3. 通过球形发电机阵列化和能量存储，构建水温测量的自驱动系统。

能源在人类生活中扮演着非常重要的角色，现阶段能源的消耗主要依赖于传统化石能源，这是一种有限的、非可再生的能源。随着化石能源的不断开采和枯竭，迫切需要寻找一些新型的能源形式。海洋波浪能具有储量丰富、受环境因素影响较小等优点，是潜在的能够大规模应用的能源之一。但是，近几十年世界各国对波浪能收集的探索大都基于传统的电磁发电机，而电磁发电机因其自身的工作原理所限，难以有效收集这种低频的、随机的能源。

王中林院士于2012年首次提出基于摩擦起电和静电感应效应的摩擦纳米发电机，它利用麦克斯韦位移电流的机理，将周围环境中的机械能转化为电能。同时球形结构摩擦纳米发电机因其具有质量轻、在水波中运动阻力小以及易于阵列化等诸多优点已经被用来收集水波能。但是在之前报道的工作中，还存在输出电流较小等缺点，限制了它的实际应用。

有鉴于此，中科院纳米能源与系统研究所王中林院士团队通过耦合弹簧及多层结构制备了一种可以高效收集水波能的球形摩擦纳米发电机。

图1. TOC

研究团队首先结合弹簧辅助结构和球形结构的优点，并在一个球壳空间内集成多个基本发电单元形成多层结构，成功制备出耦合弹簧及多层结构的球形摩擦纳米发电机，用于收集水波能。该球形摩擦纳米发电机中每个发电单元的工作模式均为垂直接触-分离模式。

图2. 基于弹簧及多层结构的球形摩擦纳米发电机的示意图、实物照片及工作原理示意图

在真实水波实验环境中，在1.0 Hz的水波频率，2.5 V的信号发生器输出电压幅值（对应于水波振幅）的水波冲击下，其最大功率可达7.96 mW，输出电流为120 µA。

图3. 该球形摩擦纳米发电机在1.0 Hz的水波频率下的典型电学输出

其次，进一步研究了不同水波频率和不同水波振幅下，该摩擦纳米发电机的电学输出性能，发现其在1.0 Hz的水波频率下能达到最大输出值，能较好地适用于水波的低频工作环境。

图4. 不同水波频率下的电学输出

图5. 不同水波振幅下的电学输出

然后，从球形摩擦发电机中所用的铜块质量以及集成的发电单元数量两个方面对其进行结构优化。最后，将四个优化后的球形摩擦纳米发电机组成发电阵列，其输出功率和输出电流分别达到15.97 mW和225 µA，并成功驱动电子温度计工作，测量水的实时温度，显示了该摩擦纳米发电机在水波能大规模收集中的巨大潜力。

图6. 通过改变铜块质量及多层结构中发电单元的集成数目对该球形摩擦纳米发电机进行结构优化

图7. 球形发电机阵列的电学输出及充电特性

总之，该研究成功制备了一种收集水波能的球形摩擦纳米发电机，通过结构设计与优化，其输出电流和输出功率较以往工作均有较大幅度提高，显示了纳米发电机在大规模收集水波能中的潜在应用价值。

参考文献：

Xiao T X, Liang X, Jiang T, et al. Spherical Triboelectric Nanogenerators Based on Spring‐Assisted Multilayered Structure for Efficient Water Wave Energy Harvesting[J]. Advanced Functional Materials, 2018: 1802634.

DOI: 10.1002/adfm.201802634

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201802634

作者简介:

王中林院士：

中国科学院外籍院士，欧洲科学院院士和中央研究院院士，佐治亚理工学院终身校董。佐治亚理工学院终身校董事讲席教授，Hightower终身讲席教授，工学院杰出讲席教授和纳米结构表征中心主任。教育部长江学者讲座教授。中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家和首任所长。王中林院士的开创性工作荣获了多项国际荣誉：美国显微镜学会 1999年巴顿奖章，2009年美国陶瓷学会Purdy奖，2011年美国材料学会奖章(MRS Medal)，2012年美国陶瓷学会Edward OrtonMemorial 奖，2013 ACS Nano 讲座奖，2014年美国物理学会James C. McGroddy 新材料奖，2013中华人民共和国国际科学技术合作奖，2014年佐治亚理工学院杰出教授终身成就奖，2014年NANOSMAT奖，2014年材料领域世界技术奖。王院士是美国物理学会fellow, 美国科学发展协会(AAAS) fellow，美国材料学会 fellow，美国显微学会fellow，美国陶瓷学会fellow，英国皇家化学学会fellow。2015年9月24日，汤森路透集团（THOMSONREUTERS）发布了2015年度引文桂冠奖（CitationLaureates）获奖名单（诺贝尔奖风向标）。王中林院士成为物理学领域获奖人之一，也是此年度该奖项唯一的华人获奖者。2017年8月23日至25日在瑞典斯德哥尔摩举行的欧洲先进材料大会上，王中林院士又以在先进材料科学和技术领域所做出杰出的贡献，而荣获2016年度先进材料奖。

王中林院士是国际公认的纳米科技领域领军人物，是Google Scholar（谷歌学术）2018年公布的全球纳米技术专家学术引用与影响力排行榜第一名。在一维氧化物纳米结构制备、表征及其在能源技术、电子技术、光电子技术以及生物技术等应用方面均作出了原创性重大贡献。他发明了纳米发电机，并提出了自驱动系统的概念，为微纳电子系统的发展开辟了新途径。他开创了压电电子学和压电光电子学研究的先河，对纳米机器人、人-电界面、纳米传感器、医学诊断及光伏技术的发展具有里程碑意义。已在国际一流刊物上发表超过1400篇期刊论文（其中，《科学》、《自然》、及其子刊40余篇），拥有200余项专利，7本专著和20余本编辑书籍和会议文集。他是Nano Energy 的发刊主编和现任主编。

肖天笑、梁茜为北京纳米能源所王中林院士课题组的硕士研究生，蒋涛副研究员为北京纳米能源所王中林院士课题组成员。

附：

王中林院士个人成果网址：

http://www.nanoscience.gatech.edu/group/Current%20Members/Group%20Leader/Zhong%20Lin%20Wang.php

王中林院士研究组主页：

http://www.binn.cas.cn/ktz/wzlyjz/yjzjjwzl/