摩擦纳米发电机由王中林小组于2012年在国际上*先发明，目的是利用摩擦起电效应和静电感应效应的耦合把微小的机械能转换为电能。这是一项颠覆性的技术并具有****的输出性能和优点，近些年来，其理论体系和应用技术都发展迅速。《摩擦纳米发电机理论与技术》系列全面涵盖了摩擦纳米发电机的系统理论及其带来的快速发展的各个领域的技术应用总结。《摩擦纳米发电机理论与技术 第3卷：蓝色能源与环境》共4卷、53章。第1卷主要介绍其理论与技术基础，第2卷展现了其在微纳能源领域的尖端应用，第3卷主要介绍其在收集蓝色能量、环境能量方面的前沿应用，第4卷主要介绍其作为传感器与高压电源的前沿应用。这些应用领域涉及能源、环境、医疗植入、人工智能、可穿戴电子设备及物联网等众多方向。本分册涵盖第3卷内容。

第31章液滴基摩擦纳米发电机
　　摘要
　　微小的液滴是一个巨大的能量宝库。当水滴作为降水从空中落下时，会逐渐加速并获得巨大的动能。同时，落下的水滴也会因与空气摩擦起电而积聚静电能，这也是形成雷暴的主要原因。据估计，全世界每年的降雨量约为5×105km3，这些水滴蕴藏着3000TW h的巨大能量。然而，这种低频和离散的水滴能量很难被广泛使用的传统的水力发电技术所捕获，因为传统的水力发电技术是为从高频水流中获取能量而设计的。近年来，摩擦纳米发电机（TENG）具有成本低、易于制造、能量转换效率高和瞬时功率密度高等特点，可以通过接触起电和静电感应的耦合实现从液滴能到电能的高效转换，为我们提供了一种非常具有吸引力和应用前景的液滴能收集技术。
　　31.1 引言
　　减少碳排放、实现全球碳中和，需要能源行业逐步从高碳排放量的传统化石燃料能源向零排放的清洁可再生能源转型。水占地球表面的约70%，是地球上*古老、*丰富的可再生的能源之一。尤其是水滴，虽然微小，可以忽略不计，却蕴藏着巨大的能量宝藏。当水滴作为降水从空中落下时，会逐渐加速并获得巨大的动能。同时，落下的水滴也会因与空气摩擦起电而积聚静电能，这也是雷暴天产生的主要原因之一。据估计，全世界每年的降雨量约为5×105km3，这些水滴蕴藏着3000TW h的巨大能量，如果能够将这些清洁能源有效收集起来，将有希望替代传统的化石能源[1]。然而，与传统的水力发电厂可利用的高频水流动能不同，水滴能因其低频、离散、分布稀疏等固有的局限性而未被充分利用。近年来，液滴基摩擦纳米发电机具有成本低、易于制造和能量转换效率高等优点，在收集这种尚未开发但普遍存在的液滴能方面展现出了巨大的潜力[2-5]。特别是，通过对表面润湿性、器件结构和材料的调节，液滴基摩擦纳米发电机可以实现快速的传质和电荷转移，从而实现从液滴能到电能的高效转换。
　　31.2 单电极模式液-固基摩擦纳米发电机用于液滴能收集
　　用于液滴能收集的**个液-固TENG于2014年提出，它由覆盖有超疏水聚四氟乙烯（PTFE）薄膜的铜/聚甲基丙烯酸甲酯（Cu/PMMA）基底组成（图31.1（a））[6]。用于液滴能收集的液-固TENG主要是基于液滴与空气/管道（图31.1（a））或与PTFE薄膜（图31.1（b））摩擦起电来产生电能。下面用单电极模式的液-固TENG的工作原理对其进行解释。图31.1（a）显示，在与TENG接触之前，水滴因与空气/管道摩擦而表面带电。先前的研究表明，当水滴从天而降或流经绝缘管时，会与空气摩擦或与绝缘材料摩擦而导致水滴表面带电。例如，从PTFE涂层吸头吸取的每个水滴测量到4.5μC m？2的表面电荷密度。值得注意的是，水滴上的电荷可能是正的也可能是负的，具体取决于水滴及与之相互摩擦的物体的性质。根据图31.2的测量数据，以带正电的水滴为例来说明液滴静电能转化为电能的过程。当带正电的水滴接近PTFE薄膜时（图31.1（a）中（ⅱ）），铜（Cu）电极和地之间会产生正电势差。在短路情况下，电子从地转移到铜电极以平衡电势差（图31.1（a）中（ⅲ））。该过程中会产生瞬时正电流。水滴表面的电荷密度会影响铜电极上的感应转移电荷，这将决定TENG的电输出性能。一旦水滴离开PTFE薄膜表面，就会产生负电势差，因此电子从铜电极流向地面（图31.1（a）中（ⅳ）），直到达到新的平衡（图31.1（a）中（ⅰ））。这个过程中会产生瞬时负电流。如果水
　　图31.1 用于液滴能收集的单电极模式液-固基TENG的设计和工作机制
　　（a）当摩擦起电主要由液滴与空气/管道的接触起电过程主导时的液-固TENG的工作机制；（b）当摩擦起电主要由液滴与PTFE薄膜的接触起电过程主导时的液-固TENG的工作机制（经许可转载参考文献[6]，版权所有Wiley）
　　定期滴落并与PTFE薄膜接触，则可以连续产生交流输出。为了获得*大的电输出，水滴应该在下一滴水滴到来之前从PTFE薄膜表面完全滚落，因此需要超疏水的基底表面来保证及时排走水滴。
　　图31.1（b）表示水滴落在PTFE薄膜上时产生摩擦电荷的情况。众所周知，当水滴在聚合物表面滴落和滑动时，会产生摩擦电，并有助于水滴和聚合物表面带电。当水滴落下并与PTFE薄膜接触时，PTFE上表面基团的电离将使PTFE带负电，并在水滴的接触表面上形成带正电的双电层（EDL）以保持整体电中性（图31.1（b）中（ⅲ））。当水滴离开PTFE薄膜时，铜电极和地之间将建立负电势差。在短路情况下，电子从铜电极转移到地（图31.1（b）中（ⅳ））并达到电势平衡（图31.1（b）中（ⅴ））。这个过程中会产生瞬时负电流。由于PTFE薄膜上的摩擦电荷可以长期保留，一旦另一个水滴落下与带负电的PTFE薄膜接触，PTFE上的负电荷就会吸引水滴中的正离子，形成另一个带正电的EDL，并建立正电势差。因此，电子将从地流向铜电极（图31.1（b）中（ⅵ）），直到达到新的电势平衡（图31.1（b）中（ⅶ））。该过程中会产生瞬时正电流。当水滴离开PTFE薄膜时，铜电极和地之间会建立负电势差。电子从铜电极转移到地面（图31.1（b）中（ⅳ）），并实现另一个新的电势平衡（图31.1（b）中（ⅴ））。一旦后续的水滴周期性地与PTFE薄膜接触（图31.1（b）中（ⅴ）～（ⅷ）），就会获得连续的输出。
　　为了测量TENG的电输出，使用可编程注射泵控制液滴的滴落。每滴液滴体积固定为30μL，从90cm的高度落下。为了更贴近实际日常生活的应用，选择未经处理的自来水作为水源。图31.2（a）显示了接触时的峰值输出为9.3V。输出电流达到17μA的值并呈现出交流电的输出特性（图31.2（b）），每个周期中有相同数量的电子沿相反方向流动。实验数据验证了图31.1提出的工作机制。据观察，液滴从PTFE表面滚落时对应的电流峰值幅度较小，但比刚接触PTFE表面对应的电流峰值持续时间更长（图31.2（b）中的插图）。这可以通过以下事实来解释：液滴从PTFE表面分离是一个较慢的过程，因此产生了更小但更宽的电流信号。
　　图31.2 用于液滴能收集的单电极液-固TENG的输出性能
　　水滴产生的水-TENG的输出电压（a）和输出电流（b），（b）中的插图是一个周期的放大输出*线，每个水滴的体积固定为30μL，并从90cm的高度落下，并且在测量（a）和（b）中的电输出时，水-TENG没有连接到外部电阻；（c）水滴下落高度对水-TENG转移电荷的影响，其与空气和PTFE薄膜接触起电过程中产生的摩擦电成正比；（d）～（f）水-TENG的输出电压（d）、输出电流（d）、输出功率（e）和输出能量（f）对外部负载电阻的依赖性（经许可转载参考文献[6]，版权所有Wiley）
　　由于液滴与空气或者PTFE薄膜接触起电过程中产生的摩擦电荷会影响TENG的输出，因此需要讨论摩擦起电与下落距离之间的关系。控制液滴从不同高度下滴落，测量液滴基TENG的电输出性能，同时将获得的TENG的输出电流峰对时间进行积分，可以推断出铜电极上感应转移的电荷与能量收集过程中产生的摩擦电成正比。这清楚地表明，随着下落距离的增大，感应转移的电荷增加，*终在20cm处饱和（图31.2（c）），对应于TENG的*大输出性能。这验证了当液滴下落过程中与空气摩擦后，液滴表面确实存在摩擦后产生的电荷，同时液-固TENG也能将液滴与空气摩擦产生的静电能一并收集利用起来。
　　这里保持液滴下落高度在90cm时，测量液滴基TENG在不同外部负载电阻下的电输出。如图31.2（d）所示，当电阻低于0.1MΩ时，输出电压保持接近于0，电流没有明显变化。当电阻从0.1MΩ增加到1GΩ时，通过负载的输出电压增加，但负载上的电流呈现减小的趋势。当电阻低于0.1MΩ时，负载上的瞬时功率（图31.2（e））很小，在5MΩ时功率达到*大值145μW。输出的能量通过公式W=I2R对时间的积分来计算（图31.2（f）），*线显示，输出能量随着电阻的增加而增加，并在电阻为22MΩ（30nJ）时逐渐饱和，比外界负载为1kΩ时（0.03nJ）大3个数量级。经过计算发现，在电阻为22MΩ时，单个水滴的动能转化为电能的能量转换效率约为0.01%。虽然目前能量转换效率还较小，但有望在不久的将来，通过收集水滴撞击的二次能量进一步提高能量转换效率。
　　31.3 用于液滴能收集的自支撑液-固基摩擦纳米发电机
　　除了单电极液-固基TENG之外，自支撑液-固基TENG由于其良好的可扩展性和广泛的适用性也被用于液滴能量收集。如图31.3（a）所示，自支撑液-固TENG由预图案化的氧化铟锡（ITO）作为电极、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）作为介电层、EKG-6015N作为疏水层组成[7]。将电极垂直于水滴流动方向放置在玻璃上。将PVP层旋涂到图案化的ITO玻璃基板上，然后将EKG-6015N溶液涂覆到PVP层上形成一层疏水层，如图31.3（b）所示的透明电极和非常薄的介电层和疏水层，因此自支撑液-固基TENG是透明的。采用扫描电子显微镜（SEM）（图31.3（c））观察液-固TENG的厚度，介电层的厚度为290nm，ITO电极层的厚度为120nm。考虑到自然水滴（例如雨滴）的大小，将电极的宽度和间隙分别设计为7mm和2mm。为了使水滴顺利滑动，在PVP介电层上涂覆了疏水层EKG-6015N。水滴释放的速度由注射泵控制。水滴滴到**个电极的中心，该电极与水平面成45°角倾斜。水滴以0.4m s？1的速度穿过电极。
　　图31.3 用于液滴能收集的自支撑液-固基TENG设计
　　（a）用于液滴能收集的自支撑液-固基TENG的示意图；（b）透明自支撑模式液-固基TENG的光学照片；（c）玻璃基板上的自支撑液-固基TENG的横截面SEM图像（经许可转载参考文献[7]，版权所有英国皇家化学学会）
　　图31.4（a）～（c）解释了用于液滴能收集的自支撑液-固TENG的工作原理。用疏水层上的水充当感应介质去吸引电极上的相反电荷，这是通过改变水和电极之间的重叠面积来实现的。界面电容与水滴运动过程中水滴与电极的重叠面积成正比。一般来说，当液滴铺展在PVP薄膜表面时，液/固界面处会形成双电层（EDL）。电荷积聚在**个电容器Qf（=CfVf=εAfVf/d）和第二个电容器Qs（=CsVs=εAsVs/d）上，以维持表面电势的平衡，而电势是由液滴与基底材料之间的重叠面积决定的。这里，Cf和Cs分别是**个电极-液滴电容器和第二个电极-液滴电容器的电容；Vf和Vs分别是经过Cf和Cs的电压；介电层和疏水层之间的介质的有效介电常数为ε；介电层和疏水层的厚度之和为d；Af和As分别是水滴与**和第二电极的重叠面积。为了清楚地阐明TENG的工作机制，自支撑式的液-固TENG发电过程分为三个步骤。**步，水滴在与本身带负电的PVP层接触时带正电（图31.4（a）），水滴和PVP层的界面处会产生EDL，因此正电荷会积聚在**电极上以保持电中性，同时负电荷移动到第二电极。第二步，水滴移动到**和第二电极之间的中间位置（图31.4（b）），水滴与每个电极的重叠面积相等，由于Cf和Cs相同，因此没有电荷转移。第三步，水滴完全覆盖第二电极，水滴的正电荷吸引了PVP层的负电荷（图31.4（c）），Qs上的负电荷移动到**电极，*终完成电容器之间的电荷转移。当水滴开始与第二电极重叠并且不再与**电极重叠时，显示*大峰值，因为此时两个电极与液滴重叠面积的差异处于其*大值。水滴在电极之间通过的过程中产生的交流电输出如图31.4（d）和（e）所示。

目录
前言
第31章 液滴基摩擦纳米发电机 1
31.1 引言 1
31.2 单电极模式液-固基摩擦纳米发电机用于液滴能收集 2
31.3 用于液滴能收集的自支撑液-固基摩擦纳米发电机 5
31.4 类晶体管结构的液-固基摩擦纳米发电机用于液滴能收集 7
31.5 用于液滴能收集的液-液基摩擦纳米发电机 35
31.6 结论 40
参考文献 41
第32章 基于摩擦纳米发电机收集水波能 43
32.1 引言 43
32.2 用于波浪能收集的摩擦纳米发电机表征 46
32.3 典型摩擦纳米发电机单元 47
32.3.1 球壳结构 47
32.3.2 多层结构 50
32.3.3 弹簧振子结构 52
32.3.4 摆式和栅格结构 53
32.3.5 固液接触结构 56
32.4 网络连接 57
32.4.1 摩擦纳米发电机单元的耦合网络 58
32.4.2 摩擦纳米发电机的自组装网络 59
32.5 波浪能收集器件的性能提升 60
32.5.1 电荷泵浦策略 61
32.5.2 旋转式电荷泵浦和滑动式电荷泵浦 64
32.5.3 电荷穿梭原理 65
32.5.4 通过电荷补偿提高输出电压 67
32.6 应用 69
32.7 结论 71
参考文献 72
第33章 摩擦纳米发电机收集蓝色能源实现碳中和 75
33.1 引言 75
33.2 机-电转换的基本原理 76
33.3 基本原理 77
33.3.1 液-固耦合模型 78
33.3.2 气-固耦合模型 82
33.4 先进的器件结构和用于碳中和的蓝色能源 85
33.4.1 摩擦纳米发电机单元设计及网络策略 85
33.4.2 摩擦纳米发电机收集蓝色能源实现碳中和 87
33.5 结论 92
参考文献 93
第34章 收集风能的摩擦纳米发电机 96
34.1 引言 96
34.2 基本模式和结构 96
34.2.1 单端固定结构 97
34.2.2 双端固定结构 98
34.2.3 V型结构 100
34.2.4 双旗型结构 101
34.2.5 其他结构 102
34.3 材料 104
34.3.1 常见摩擦电材料 104
34.3.2 其他材料 105
34.4 性能 106
34.4.1 机械性能 106
34.4.2 电学输出性能 108
34.5 应用 113
34.5.1 自供电系统 113
34.5.2 自供电传感器 117
34.5.3 其他 120
34.6 结论 122
参考文献 122
第35章 利用摩擦纳米发电机获取振动和超声能量 126
35.1 引言 126
35.2 低频振动和超声的摩擦电能量收集 127
35.2.1 振动摩擦纳米发电机 127
35.2.2 理论解释 128
35.2.3 接触-分离机制 129
35.2.4 多层集成用于电流增强 131
35.2.5 超宽带振动摩擦纳米发电机 132
35.3 性能参数相关的振动摩擦纳米发电机 134
35.3.1 基于谐振器的振动摩擦纳米发电机 134
35.3.2 用于高效收集振动能量的蜂窝结构 135
35.3.3 生物机械振动能量收集 138
35.3.4 多向振动能量收集 138
35.3.5 线性光栅结构*立式振动摩擦纳米发电机 140
35.4 超声能量收集 142
35.4.1 利用摩擦纳米发电机收集超声能量 144
35.4.2 超声摩擦纳米发电机的结构设计 147
35.4.3 基于微电子机械系统技术的小型化超声摩擦纳米发电机结构设计 148
35.4.4 通过摩擦纳米发电机的超声感应发电的计算研究 151
35.4.5 超声能量收集材料设计 154
35.5 结论 161
参考文献 161
第36章 摩擦纳米发电机技术用于民用基础设施系统 163
36.1 引言 163
36.2 基础设施系统中基于摩擦纳米发电机技术的综述 164
36.2.1 能量收集技术 164
36.2.2 民用基础设施系统 168
36.2.3 民用基础设施监测技术的未来趋势 172
36.3 结论 179
参考文献 179
第37章 摩擦纳米发电机与太阳能电池的集成 183
37.1 引言 183
37.2 当前研究 185
37.2.1 摩擦纳米发电机与太阳能电池的简单集成 185
37.2.2 特殊处理的材料用于性能提升 192
37.2.3 利用光电效应提升摩擦纳米发电机的输出表现 196
37.2.4 一体化复合系统用于多种能量收集 199
37.2.5 不同场景下复合系统的实际应用 203
37.3 结论 209
参考文献 211
第38章 摩擦纳米发电机技术用于颗粒污染物的净化 217
38.1 引言 217
38.2 基于接触起电效应和摩擦纳米发电机器件产生的局部强电场 219
38.3 接触起电效应用于颗粒物过滤 221
38.3.1 纤维材料之间的接触起电效应及其对颗粒物过滤性能的增强 221
38.3.2 小球材料的接触起电效应用于尾气净化 226
38.4 摩擦纳米发电机用于颗粒物过滤 229
38.4.1 摩擦纳米发电机作为高压电源用于静电除尘 229
38.4.2 摩擦纳米发电机诱导的空气离子化用于颗粒物净化和空气杀菌 234
38.5 结论 240
参考文献 240
第39章 用于水下感知的摩擦纳米发电机 244
39.1 引言 244
39.2 用于水下目标定位与追踪的摩擦纳米发电机 245
39.2.1 水下目标声源定位 245
39.2.2 水下低频声音探测 250
39.2.3 水下目标涡流感知与追踪 254
39.2.4 水下自驱动监测网络 260
39.3 用于水下结构物监测的摩擦纳米发电机 263
39.3.1 水下机械手触觉感知 263
39.3.2 海洋结构物自驱动监测 268
39.3.3 水下障碍物检测和避碰 272
39.4 用于水下无线通信的摩擦纳米发电机 276
39.5 用于水下可穿戴设备的摩擦纳米发电机 280
39.5.1 水下人体运动监测 280
39.5.2 鱼类可穿戴数据监测平台 284
39.6 用于水下感知网络供能的摩擦纳米发电机 289
39.6.1 极低流速海流能量收集 289
39.6.2 海洋物联网供能 294
39.7 挑战与展望 297
39.8 结论 299
参考文献 299
第40章 高效、高耐久的摩擦纳米发电机用于蓝色能源收集 301
40.1 引言 301
40.2 蓝色能源的原创思想 302
40.3 摩擦纳米发电机用于蓝色能源收集的技术优势 303
40.4 器件效率和耐久性的提升策略 305
40.4.1 弹簧协助结构摩擦纳米发电机用于波浪能收集 305
40.4.2 毛刷结构摩擦纳米发电机用于水流能收集 308
40.4.3 摆动结构摩擦纳米发电机用于波浪能收集 313
40.5 蓝色能源摩擦纳米发电机及其网络的能量管理 320
40.5.1 多方向波浪能收集的摩擦纳米发电机 320
40.5.2 拥有集成螺旋单元的摩擦纳米发电机 321
40.5.3 摩擦纳米发电机网络的能量管理 323
40.6 结论 326
参考文献 328
第41章 提高材料的表面电荷密度 331
41.1 引言 331
41.2 接触起电过程中表面电荷的来源 332
41.2.1 不同材料接触起电过程中电荷的来源 332
41.2.2 同种材料接触起电过程中电荷的来源 334
41.2.3 表面电荷来源于外部电荷注入 336
41.3 表面电荷的动态特性 337
41.4 提高表面摩擦电荷密度的方法 340
41.4.1 材料选择 340
41.4.2 表面功能化 342
41.4.3 复合摩擦层 344
41.4.4 工作环境优化 345
41.5 结论 351
参考文献 351