現如今，人類社會正面臨著許多緊迫的問題，如能源危機、氣候變化、環境污染等。為了緩解這些因過度開采化石燃料而造成的問題，開發可再生的清潔能源是一種理想的解決方法。流體能，如風能或水流能，在自然界中廣泛存在，其中蘊含著巨大的能量，對它的開發和利用有望緩解當今世界面臨的能源危機。

中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士、吳治嶧研究員等人報道了一種基于旋轉-平移機制的多層疊加式摩擦納米發電機（MLS-TENG），用于收集流體能量并應用于環境保護。該機制是將流體誘導的旋轉轉化為MLS-TENG的相互平移，從而將流體能量轉換為電能。此外，受益于多層疊加的結構設計，開路電壓從860 V提高到2410 V，在實際河流中獲得了2 mJ min-1的高效能量采集率。此外，作者基于MLS-TENG構建了一個自供電的無線溫濕度監測系統和一個金屬防腐系統。這項研究為有效收集環境流體能量提供了指導，在環境監測和保護方面具有廣闊的應用前景。該研究以題為“A Multi-Layer Stacked Triboelectric Nanogenerator Based on a Rotation-to-Translation Mechanism for Fluid Energy Harvesting and Environmental Protection”的論文發表在《Advanced Functional Materials》上。

【MLS-TENG的設計與工作原理】

作者設計了一個用于環境能量采集的MLS-TENG。其滑塊和定子直接堆疊在一起，且滑塊是與桿連接的，因此在法線方向的運動沒有受到限制。TENG單元中以尼龍作為正摩擦材料，定子使用聚四氟乙烯作為負摩擦材料，銅作為電極。當圓柱形凸輪旋轉時，從動桿的軸承被凸輪槽的側壁推動，從而將旋轉運動轉換為線性往復運動。在初始階段，聚四氟乙烯薄膜與尼龍薄膜充分接觸，由于摩擦起電原理，聚四氟乙烯薄膜表面帶負電，尼龍薄膜帶正電，兩者的總電荷相等。當圓柱形凸輪旋轉并帶動尼龍膜往復運動時，銅電極上的自由電荷將在外部負載的作用下重新分布，根據靜電感應原理平衡電位差的變化，電荷在兩個電極之間循環傳遞，因此產生電輸出。

圖1 MLS-TENG的結構

圖2 MLS-TENG的工作原理

【MLS-TENG的輸出性能】

為了研究MLS-TENG在不同轉速下的輸出性能，作者使用旋轉電機來驅動MLS-TENG。結果表明，不同轉速下的開路電壓和短路電流隨著層數的增加而穩步增加，這說明MLS-TENG具有良好的堆疊效應，電壓可從860 V增加到2410 V，電流從5.6 μA增加到18.35 μA。為了更好地了解MLS-TENG在施加外部負載時的輸出性能，作者在凸輪轉速為60 rpm時測量了5層MLS-TENG的峰值電壓和峰值功率與負載電阻之間的關系。在負載電阻為20 MΩ時，其最大輸出功率為10.58 mW。此外，在能量管理系統（EMS）的幫助下，MLS-TENG的充電速度提高了≈9.1倍。最后，作者測試了MLS-TENG的耐久性。在以30 rpm的轉速下不間斷運行≈10800次之后，MLS-TENG的電荷密度僅有約7.02%的輕微衰減，展現出了出色的穩定性。

圖3 MLS-TENG的電輸出性能

【MLS-TENG的應用演示】

基于該MLS-TENG，作者建立了一個自供電的無線溫度和濕度傳感系統，用于環境監測。當MLS-TENG開始工作時，電容器僅在183秒內即能被充電到3.4 V的工作電壓，且每49.7秒可進行一次無線數據傳輸。此外，作者還將具有不同層數的MLS-TENG在河流的低速和高速區域進行有效的能量采集。通過記錄用于儲存能量的電容器的電壓，作者計算出了MLS-TENG的能量收集率，5層的能量收集率達到2 mJ min-1，1層的能量收集率達到0.46 mJ min-1。這表明MLS-TENG可以在河流的各個部分進行有效的能量采集。最后，作者使用MLS-TENG作為動力源為金屬提供陰極保護。當碳鋼與MLS-TENG連接時，其開路電位值與初始狀態相比下降了477.3 mV，驗證了MLS-TENG對金屬防腐的有效性。碳鋼的腐蝕電位也從-1.218正移到-0.618 V，這表明MLS-TENG可以為金屬提供有效的陰極保護。作者將有無MLS-TENG的碳鋼在鹽水中浸泡3小時后進行了對比，為基于MLS-TENG的自供電金屬防腐系統所提供的防腐效果提供了一個直觀的展示。

圖4 MLS-TENG在環境監測和能量采集方面的應用

圖5 MLS-TENG在金屬防腐中的應用

總結：作者制作了一個基于旋轉-平移機制的MLS-TENG，用于流體能量的采集和環境保護。通過合理的機械結構設計，MLS-TENG的各層可以高效、便捷地疊加，在實際的河流中，其能量收集率達到2 mJ min-1。基于該MLS-TENG，作者構建了一個自供電的無線溫濕度監測系統，每49.7秒可進行一次無線數據傳輸。作者還構建了一個自供電的金屬防腐系統，可以顯著降低碳鋼的腐蝕率。這項工作有助于在未來實現可再生清潔能源的采集、自供電的環境監測和保護。