能源，尤其是电力，是影响经济发展和社会进步的关键性因素。面对电力消耗、能源危机以及环境污染等难题，新型可持续能源技术的发展变得刻不容缓。其中，柔性摩擦纳米发电机（TENGs）因其制造工艺简单、材料选择范围广、输出电压大等优点，能够将环境中微小的机械能高效的转化为可用的电能，在人体动能采集、自供电传感器和智能可穿戴领域具有广泛的应用价值，极大地推动了新型可持续能源技术的发展。然而，TENG的一个重要缺点是难以在高湿环境下工作，更加无法实现水下电能收集，这一缺陷极大地限制了TENG在各种场景下的应用。虽然已经开发了一些通过疏水性材料或防水封装等结构设计的耐湿性TENG，但全封装无间隔的结构设计会极大地降低TENG的机电性能。因此，要开发在真正意义上防水，并且具有高输出的水下摩擦纳米发电机仍然是一个挑战。
针对上述挑战，近年来，我院刘雍教授团队在ZnO基纳米发电机的研究方面取得了一系列原创性的研究成果。近日，该团队开发出一种能在水中实现能量收集的摩擦纳米发电机，成果以“3D micro-nanostructure based waterproof triboelectric nanogenerator as an outdoor adventure power source”为题发表在国际著名期刊《Nano Energy》（影响因子为17.881）上。该文详细报道了3D PDMS-ZnO/PAN TENG在高湿环境甚至水环境中的电输出特性，并且能够将水滴和水流产生的能量转换成电能，为微型电子设备供电。所制备的防水型TENG极大地提高纳米发电机在恶劣环境中的电输出性能，拓宽了纳米发电机的使用范围。
3D PDMS-ZnO/PAN TENG的结构及工作机理示意图
该研究中巧妙的将生长ZnO纳米棒的PAN纳米纤维膜与具有3D凸起结构的PDMS薄膜相结合，并分别作为正、负摩擦电材料。具有高表面粗糙度的ZnO纳米棒增强了正摩擦材料的失电子能力，而具有3D凸起结构的PDMS薄膜则起到了器件内部支撑的作用，使所制备的防水型TENG能够依靠材料自身的微纳结构，实现全封装器件内部的接触-分离。另外，全封装的设计使TENG器件能够完全避免水分引起的摩擦电荷耗散，使3D PDMS-ZnO/PAN TENG实现了真正意义上的水下电能收集。
防水型TENG的效果图概念图及其应用演示
与之前的研究相比，该项工作中的ZnO纳米棒和3D凸起结构改善了全封装器件难以实现接触-分离的局限，极大地增强了全封装TENG的电输出性能（最大功率密度为184.6 μW/cm2）。该防水型TENG能够在水中实现长时间的电能收集，器件在水下浸泡6天后，其电信号输出没有发生明显的变化。此外，防水器件产生的电能可以直接驱动至少40个商用LED，这些LED可以组成各种图案，用于指示或显示目的；防水器件产生的电能还可以用来直接运行LCD设备，例如计算器和温湿度计。
该研究进一步证实了所制备的TENG可以用于收集蓝色能源的潜力。在水滴和水流的冲击下，防水器件很容易的就能分别产生超过20 V和48 V的电能，并且可以用于驱动商用电子设备。该团队还进一步拓展了对该防水型TENG在蓝色能源收集中的潜在应用，例如，下雨天或淋雨时的电能收集，甚至水流瀑布冲击下的大型电能收集矩阵。
防水型TENG在蓝色能源收集方面的应用
论文第一作者为天津工业大学纺织科学与工程学院博士生孙悦，通讯作者为美国阿肯色大学费耶特维尔分校寿万博士和天津工业大学纺织科学与工程学院刘雍教授。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107506（点击文章底部阅读原文查看）。
责任编辑 | 胡鑫蓉
编辑审核 | 徐雅轩
文字编辑 | 孙 悦
文字审核 | 刘 雍
指导老师 | 梅思琦 赵凯娜 石 磊