【背景介绍】
在众多的清洁可再生能源中，海洋蓝色能源覆盖面积广，约占地球表面70%左右，蕴含着巨大的能量。但如何高效经济地收集蓝色能源是其开发和利用仍面临的巨大挑战。新兴的基于摩擦起电和静电感应效应的摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerators, TENGs）对于随机低频率下机械能的收集（如海水表面低频机械能）有着独特的优势。过去几年间，已研究出的基于摩擦发电技术的蓝色能源采集装置，可将其大致分为两类：一类是固-液接触型，一类是全封装的固-固接触型。然而，对于固-固接触型发电机，一方面封装困难，封装成本高是实际应用面临的首要问题，另一方面封装以后，发电机内部出现故障，拆卸和重组装也是非常困难的。因此如何高效稳定地采集蓝色能源是摩擦纳米发电机走出实验室，投入实际应用，大规模，产业化首先要解决的问题。
振动是另外一种最常见的机械能之一，生活中随处可见（如移动的车辆、振动的桥梁和震荡的海浪等），具有频谱宽、振幅小、振动方向随机的特点。摩擦发电被证实为一种振动能量有效的采集技术，研究者们已经设计出各种结构和功能的TENGs用于收集振动能量。然而,绝大多数收集装置只能有效地收集单一方向或者很小带宽或者大振幅的振动能量,这就导致他们在实际环境应用中受到限制，因为环境中自然振荡频率一般在50 Hz并且振动的振幅相对较小。目前主要的研究方向在于如何高效地收集具有随机、多方向和宽频谱的微小振动机械能。此外，对于大多数基于TENGs的自供电系统来说，能源供应部分和应用部分是分离的，很难直接用于实际的应用场景中。
针对上述问题，重庆大学物理学院奚伊教授科研团队做出了以下研究工作。
【成果简介】
近期，重庆大学物理学院奚伊教授科研团队在Advanced Energy Materials上发表题目为“A Nonencapsulative Pendulum-Like Paper–Based Hybrid Nanogenerator for Energy Harvesting”的研究论文。重庆大学博士生杨红梅为第一作者，重庆大学奚伊教授，刘如川教授和美国佐治亚理工学院王中林院士为共同通讯作者。该论文设计了一种非封装的单摆式纸基杂化发电机，该发电机主要包括三个部分：一个太阳能电池板，两个纸基Z字型层状摩擦发电机，三个电磁发电单元（如图1所示），可同时收集太阳能，人体运动的机械能，也是一种全新的蓝色能源采集方式。工作原理为将海水表面振动的机械能转换为磁铁上下运动的能量，并利用磁铁间的排斥力驱动整个器件工作。由于避免了器件与海水的直接接触，因此解决了稳定性差，封装和拆卸重组困难的问题。该工作提出了一种用于多种能量采集的新颖杂化发电机，在便携式能源,导航和照明方面具有潜在的应用价值。
图1.收集多种能量的非封装单摆式纸基杂化的摩擦纳米发电机
奚伊教授科研团队在ACS Nano上发表题目为“Polydirectional Microvibration Energy Collection for Self-Powered Multifunctional Systems Based on Hybridized Nanogenerators”的研究论文。重庆大学博士生杨红梅为第一作者，重庆大学奚伊教授和美国佐治亚理工学院王中林院士为共同通讯作者。该研究提出了一种用于全方位、宽频谱、低频随机的微振动能量采集的摩擦-电磁杂化纳米发电机（triboelectric−electromagnetic hybridized nanogenerator，TEHG）。主要由一个电磁发电机（EMG）单元，一个自供电的振幅传感报警系统和四个Z字形的多层摩擦纳米发电机单元组成。其中，磁铁球同时作为EMG的磁通量来源,振幅传感器的正电性摩擦材料和多层接触分离式TENGs触发源。这三个部分主要由中间3D打印的曲面圆盘连接,使得磁铁球可以在微小振动下大范围、多角度滚动。测试结果表明,当振动强度为0.4 rad，振动频率为1 Hz时，TENG和EMG的输出峰值功率分别高达3.65 mW和22.4 mW，展示了在低频微振动能量收集方面的巨大优势。并且该装置对于微弱水波蓝色能源的收集有着巨大的应用潜能，利用收集到的水波能量，构建了自供电的海水分解产氢系统和电化学阴极保护系统， 实现了蓝色能源的收集和应用一体化，这对于未来的海上清洁能源和船体的自我防护有着重大的应用潜能。此外，根据峰值数与振动强度之间的线性关系，实现了高灵敏度自供电振幅检测和报警系统，可用于桥梁的振动强度检测、地震监测等领域（如图2所示）。该研究对于宽频谱下全方位的微振动能量，蓝色能源的采集，便携式小型电子设备的供能、环境监测和自供电电化学系统有着巨大的应用潜能。
图2.全方位微振动能量的收集装置在自供电多功能系统中的应用
AEM（Advanced Energy Materials），其出版商是Wiley-CVH Verlag，涉及的研究方向有化学、物理、能源和燃料电池等，其影响因子为21.49。
