近日，内蒙古师范大学永利23411集团应用凝聚态物理重点实验室与瑞典吕勒奥工业大学史以俊教授、中国科学院北京纳米能源与系统研究所陈宝东研究员课题组合作，在摩擦纳米发电技术（TENG）领域产出最新研究成果，该成果发表在国际顶级刊学术期刊《Advanced Functional Materials》上。内蒙古师范大学永利23411集团欧志强副教授为论文第一通讯作者，硕士研究生赵子龙为第一作者，内蒙古师范大学为第一完成单位。该研究成果围绕低频、低幅海浪环境下传统摩擦纳米发电机能量利用效率受限的问题，提出了一种振幅放大型摩擦纳米发电机（AA-TENG）结构设计思路，为海洋环境下自驱动传感与微型供能系统的发展提供了新的研究路径。其研究成果“Amplitude-Amplified Triboelectric Nanogenerators Enabled by Fluid-Structure Coupling for Efficient Ocean Wave Energy Conversion”发表在国际学术期刊《Advanced Functional Material》（影响因子：19.0）上。

该工作结合流体激励、结构响应与摩擦电转换机理，提出了振幅放大结构摩擦纳米发电机（AA-TENG），增强了在低频波浪环境下的动力学响应能力，使系统能够在较弱波浪激励下获得更显著的运动位移和更高效的能量转换表现。其整体结构图如1a所示，其主要包括浮力结构，主体支撑结构，摩擦纳米发电单元，振幅放大结构。AA-TENG内部结构如图1b所示，核心摩擦材料为：POM球为正摩擦材料，FEP薄膜为负摩擦材料，波浪作用发生时，POM球在两层FEP薄膜之间做往复运动，POM球与FEP表面接触阶段，两种材料电子亲和力存在差异，电子从POM一侧转移到FEP表面，二者表面分别带有相反电荷，POM球离开FEP表面后，静电感应作用使电极之间形成电势差，驱动电子在外部电路中流动，产生电流，对应的电势转移图为图1c。该装置在海洋环境下的运动状态为图1d所示。AA-TENG 采用弹性预应力调节技术，实现了瞬时机械释放机制，使振幅最高可增加 300%，能量转换效率达到 51.2%。一个单元在波频率为1Hz时输出峰值功率 5.2毫瓦，而将体积扩大五倍后，峰值功率提高到52.48毫瓦，足以为低功率的海洋监测设备供电。

图1 振幅放大AA-TENG的结构及组成

(a)AA-TENG的结构示意图；(b)TENG的结构爆炸图；(c)AA-TENG的工作原理；(d)AA-TENG的运动状态

基于AA-TENG的结构设计的特殊性，其也为海洋自驱动传感系统、海上分布式监测节点、环境检测设备以及微功耗电子器件供能提供了重要参考，如图2所示。为了充分验证其结构在实际海洋环境中应用的可行性，该研究在模拟波浪环境下进行了实验测试，如图3所示，在0.1m的波高下，AA-TENG的有效振幅达到了30cm，当波高提升为0.3m时，其有效振幅达到了50cm。并且其在工作状态下能够点亮1000个LED灯和为温湿度进行供电运行，这些实验都充分的说明AA-TENG有望推动在流固耦合领域对可持续能量收集的研究，从而促进自构建的海洋微电网的发展。

图2 振幅放大AA-TENG的应用场景

(a)AA-TENG的应用场景示意图；(b)AA-TENG的海洋自供电系统示意图；

图3 振幅放大AA-TENG的水下实验实测

这些研究结果证明了AA-TENG大规模部署的可行性，并为未来的海洋波能收集制定了有效的策略。这项工作突显了自供电系统在海洋环境监测、海上通信和海洋基础设施方面更广泛的潜力，为基于海洋的物联网（IoT）应用开辟了一条充满希望的途径。

文章链接：

http://doi.org/10.1002/adfm.75096

赵子龙，硕士研究生，现就读于内蒙古师范大学永利23411集团。

欧志强，博士，副教授。中国稀土学会稀土磁制冷材料与技术专业委员会委员，青年科技英才计划B类。2013年7月博士毕业于荷兰代尔夫特理工大学，材料物理专业。内蒙古青年科技英才计划“青年科技骨干”。主要研究领域为磁热材料及其物理性质和应用、稀土永磁材料与性能和摩擦纳米发电技术及应用。发表学术论文50余篇，总他引次数超过500次。Journal of Magnetism and Magnetic Materials 和Journal of Alloys and Compounds等SCI期刊审稿人。主持多项科研项目，其中国家自然科学基金2项，内蒙古自然科学基金3项。获2016年度内蒙古自然科学三等奖。