新型三電納米發電機正嘗試趕上新浪潮

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許多海洋能源項目都想將規模擴大，鋪設大型浮標（https://www.mdpi.com/2077-1312/10/5/566），通過機械方式將波浪轉換成電能，但開發波浪能還有另一種方法：縮減規模。十多年來，材料科學家一直在調整研發微小尺度的材料，以便從流動的水中收集電荷。現在，中國長沙中南大學的一個研究小組從根本上改變了其中一個裝置的設計，成功地將其目前的收集能力提高了一倍多。

準確地說，這一研究小組的設備被稱為摩擦納米發電機（TENG，triboelectric nanogenerator）。正如其名，TENG依靠的是摩擦電效應：如果一種材料與另一種材料發生摩擦，電荷就會從一種材料轉移到另一種材料。如果材料正確，TENG就能將移動電荷轉化為電能。名稱中的“納米”部分則來自材料（https://spectrum.ieee.org/energy-harvesting-wearable-tech）：要制造有效的TENG，需要用非常小的結構來塑造材料，以調整電交換，從而汲取更多的電流。

波浪能需要更多的新思路。該領域曾有過許多錯誤的出發點，迄今為止安裝的功率還不到千兆瓦（https://ocean.economist.com/innovation/articles/could-the-future-of-marine-energy-be-onshore）。但樂觀的設想是，到205年，全球波浪能裝機容量可能達到100千兆瓦。波浪發電對島國和偏遠島嶼社區尤其具有吸引力（https://www.weforum.org/agenda/2022/03/wave-energy-ocean-electricity-renewables/）；因為在這些地方，發電廠用地可能稀缺，但波浪卻永遠不缺。

納米發電機走向摩擦電技術

TENG是一項相對較新的發明。2012年，北京科技大學和佐治亞理工學院的材料科學家在嘗試構建磁場傳感器時首次創造了這種裝置（https://pubs.acs.org/doi/epdf/10.1021/nn304374m）。研究人員很快意識到，這種裝置可以用作能量收集器。一年后，佐治亞理工學院的同一研究小組推出了依靠水的TENG（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201307249）。當水波沖過納米級硅膠金字塔陣列時，該裝置產生了非常小的電流。

研究人員之所以如此熱衷于這種液固結合的TENG，部分原因在于水本身就是電交換的參與者之一。因此，該裝置因摩擦而產生的磨損應該會小得多。此外，它還不需要彈簧、轉子、渦輪或任何其他機械部件。不過，液固式TENG要想成為可靠的電源，還有很長的路要走。它們即無法產生足夠的電流量以投入實際生產，也無法保證產出可以持續滿足需求的穩定電流。

因此，這一設備的基本設計仍然在經受審視與改進，以努力提高其性能。標準的液-固TENG看起來就像一個密封的管子，里面裝有一部分水，中間放置一個電極。當管子在波浪中來回搖晃時，水在管子內晃動并穿過電極，從而產生電流。

長沙研究小組決定將電極移到管子的一端。理想情況下，這樣可以讓電極接觸到更多的水量、更多的電荷，并產生更大的電流。在通過計算建模展示了他們的設計優勢之后，研究人員制作了一個聚合物管，并在其中注入去離子水，將其放置在一個傾斜的水平平臺上，讓它來回擺動。

事實上，他們的確觀察到了一些顯著的變化。與標準的液-固TENG相比，長沙小組的裝置產生的電壓是它的3.5倍，電流是它的2.3倍，電量是它的3.5倍。此外，研究人員還利用水在25厘米長的管子中的晃動，點亮了由35個發光二極管組成的陣列并讓他們不停閃爍。

研究人員同時展示了一項額外的收獲，他們改進后的新型TENG能夠產生微弱的無線電信號。他們將一個天線與浸沒在另一個水箱中的電極連接起來。一個接收電極在40厘米外就能接收到信號。研究人員夢想著在海底安裝類似的由TENG供電的設備，在那里它們或許可以充當一些水下通信網絡的節點。

這些都只是微弱的進步，而像這樣的TENG可能無法立刻在電網中大顯身手。但長沙研究小組的實驗表明，這種裝置有朝一日可能成為那些遠離岸上電線的水下裝置的實用電源。

中南大學應用物理學家Guozhang Dai說："它可能會被用于環境監測、水下勘探和水下數據傳輸，涉及海洋研究、海上能源和水下機器人等多個行業。“

該研究小組于4月3日在《ACS能源通訊》（ACS Energy Letters）雜志上發表了他們的研究成果（https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.4c00072）。

供稿：胡樂