第一作者：肖天笑、梁茜、蔣濤
通訊作者：王中林
通訊單位：中科院北京納米能源與系統研究所、佐治亞理工學院
研究亮點：
1. 通過耦合彈簧及多層結構集成多個基本發電單元，成功制備可以高效收集水波能的球形摩擦納米發電機。
2. 單個球形發電機的電流輸出較以往球形發電機提高兩個數量級以上，單球最大輸出功率達到7.96 mW。
3. 通過球形發電機陣列化和能量存儲，構建水溫測量的自驅動系統。
能源在人類生活中扮演著非常重要的角色，現階段能源的消耗主要依賴于傳統化石能源，這是一種有限的、非可再生的能源。隨著化石能源的不斷開采和枯竭，迫切需要尋找一些新型的能源形式。海洋波浪能具有儲量豐富、受環境因素影響較小等優點，是潛在的能夠大規模應用的能源之一。但是，近幾十年世界各國對波浪能收集的探索大都基于傳統的電磁發電機，而電磁發電機因其自身的工作原理所限，難以有效收集這種低頻的、隨機的能源。
王中林院士于2012年首次提出基于摩擦起電和靜電感應效應的摩擦納米發電機，它利用麥克斯韋位移電流的機理，將周圍環境中的機械能轉化為電能。同時球形結構摩擦納米發電機因其具有質量輕、在水波中運動阻力小以及易于陣列化等諸多優點已經被用來收集水波能。但是在之前報道的工作中，還存在輸出電流較小等缺點，限制了它的實際應用。
有鑒于此，中科院納米能源與系統研究所王中林院士團隊通過耦合彈簧及多層結構制備了一種可以高效收集水波能的球形摩擦納米發電機。
圖1. TOC
研究團隊首先結合彈簧輔助結構和球形結構的優點，并在一個球殼空間內集成多個基本發電單元形成多層結構，成功制備出耦合彈簧及多層結構的球形摩擦納米發電機，用于收集水波能。該球形摩擦納米發電機中每個發電單元的工作模式均為垂直接觸-分離模式。
圖2. 基于彈簧及多層結構的球形摩擦納米發電機的示意圖、實物照片及工作原理示意圖
在真實水波實驗環境中，在1.0 Hz的水波頻率，2.5 V的信號發生器輸出電壓幅值（對應于水波振幅）的水波沖擊下，其最大功率可達7.96 mW，輸出電流為120 μA。
圖3. 該球形摩擦納米發電機在1.0 Hz的水波頻率下的典型電學輸出
其次，進一步研究了不同水波頻率和不同水波振幅下，該摩擦納米發電機的電學輸出性能，發現其在1.0 Hz的水波頻率下能達到最大輸出值，能較好地適用于水波的低頻工作環境。
圖4. 不同水波頻率下的電學輸出
圖5. 不同水波振幅下的電學輸出
然后，從球形摩擦發電機中所用的銅塊質量以及集成的發電單元數量兩個方面對其進行結構優化。最后，將四個優化后的球形摩擦納米發電機組成發電陣列，其輸出功率和輸出電流分別達到15.97 mW和225 μA，并成功驅動電子溫度計工作，測量水的實時溫度，顯示了該摩擦納米發電機在水波能大規模收集中的巨大潛力。
圖6. 通過改變銅塊質量及多層結構中發電單元的集成數目對該球形摩擦納米發電機進行結構優化
圖7. 球形發電機陣列的電學輸出及充電特性
總之，該研究成功制備了一種收集水波能的球形摩擦納米發電機，通過結構設計與優化，其輸出電流和輸出功率較以往工作均有較大幅度提高，顯示了納米發電機在大規模收集水波能中的潛在應用價值。
參考文獻：
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
作者簡介:
王中林院士：
中國科學院外籍院士，歐洲科學院院士和中央研究院院士，佐治亞理工學院終身校董。佐治亞理工學院終身校董事講席教授，Hightower終身講席教授，工學院杰出講席教授和納米結構表征中心主任。教育部長江學者講座教授。中國科學院北京納米能源與系統研究所首席科學家和首任所長。王中林院士的開創性工作榮獲了多項國際榮譽：美國顯微鏡學會 1999年巴頓獎章，2009年美國陶瓷學會Purdy獎，2011年美國材料學會獎章(MRS Medal)，2012年美國陶瓷學會Edward OrtonMemorial 獎，2013 ACS Nano 講座獎，2014年美國物理學會James C. McGroddy 新材料獎，2013中華人民共和國國際科學技術合作獎，2014年佐治亞理工學院杰出教授終身成就獎，2014年NANOSMAT獎，2014年材料領域世界技術獎。王院士是美國物理學會fellow, 美國科學發展協會(AAAS) fellow，美國材料學會 fellow，美國顯微學會fellow，美國陶瓷學會fellow，英國皇家化學學會fellow。2015年9月24日，湯森路透集團（THOMSONREUTERS）發布了2015年度引文桂冠獎（CitationLaureates）獲獎名單（諾貝爾獎風向標）。王中林院士成為物理學領域獲獎人之一，也是此年度該獎項唯一的華人獲獎者。2017年8月23日至25日在瑞典斯德哥爾摩舉行的歐洲先進材料大會上，王中林院士又以在先進材料科學和技術領域所做出杰出的貢獻，而榮獲2016年度先進材料獎。
王中林院士是國際公認的納米科技領域領軍人物，是Google Scholar（谷歌學術）2018年公布的全球納米技術專家學術引用與影響力排行榜第一名。在一維氧化物納米結構制備、表征及其在能源技術、電子技術、光電子技術以及生物技術等應用方面均作出了原創性重大貢獻。他發明了納米發電機，并提出了自驅動系統的概念，為微納電子系統的發展開辟了新途徑。他開創了壓電電子學和壓電光電子學研究的先河，對納米機器人、人-電界面、納米傳感器、醫學診斷及光伏技術的發展具有里程碑意義。已在國際一流刊物上發表超過1400篇期刊論文（其中，《科學》、《自然》、及其子刊40余篇），擁有200余項專利，7本專著和20余本編輯書籍和會議文集。他是Nano Energy 的發刊主編和現任主編。
肖天笑、梁茜為北京納米能源所王中林院士課題組的碩士研究生，蔣濤副研究員為北京納米能源所王中林院士課題組成員。
附：
王中林院士個人成果網址：
http://www.nanoscience.gatech.edu/group/Current%20Members/Group%20Leader/Zhong%20Lin%20Wang.php
王中林院士研究組主頁：
http://www.binn.cas.cn/ktz/wzlyjz/yjzjjwzl/
