王中林院士Nano Energy : 一種基于液-固界面摩擦納米發電機的高靈敏度波浪傳感器及其在智能海工裝備的應用

【引言】

準確預測波浪信息對海洋工程建設、海洋資源開發利用、環境保護、海上安全和海洋災害預警至關重要。為了提高智能海工裝備的環境感知能力，開發出高靈敏度波浪傳感器以監測海浪與海上平臺、船舶等海洋設備之間的相互作用非常重要。最近，基于摩擦起電效應和靜電感應耦合的摩擦納米發電機(TENG) 用于能量收集和自驅動傳感器已經成為一種強大的技術。作為最重要的TENG類型之一，基于液-固界面的TENG可用于收集水波能量和其他應用，例如自供電pH計、濃度或壓力傳感器。研究人員提出并探索了一系列用于收集水波能量和傳感的液固界面摩擦納米發電機(LS-TENG)，可收集由液-固界面產生的靜電能。此外，還研究了類似浮標的LS-TENG和水槽式LS-TENG，以有效地收集水波能量。U形LS-TENG作為自供電多功能傳感器，其中復雜的機械運動可以轉化成壓力和電信號。因此，液-固界面摩擦納米發電機具有很大的潛力，可用作智能海工裝備的高靈敏度波浪傳感器。

【成果簡介】

近日，美國佐治亞理工學院王中林院士(通訊作者)等提出并系統地探究了一種基于液固界面摩擦納米發電機的高靈敏度波浪傳感器，并在Nano Energy上發表了題為“A highly-sensitive wave sensor based on liquid-solid interfacing triboelectric nanogenerator for smart marine equipment”的研究論文。上述波浪傳感器由銅電極、覆蓋具有微結構表面的聚四氟乙烯膜制成。作者系統地研究了傳感器基底、波高、頻率和鹽度對波浪傳感器輸出性能的影響。結果發現，輸出電壓隨波浪高度呈線性增加。電極寬度為10 mm的波浪傳感器，靈敏度為23.5 mV/mm，意味著波浪傳感器可以感知毫米范圍內的波高。此外，通過加寬電極和/或增強表面疏水性可以進一步提高靈敏度。在波浪水槽中，波浪傳感器成功地用于實時監測模擬海上平臺周圍的波浪信息。因此，新型波浪傳感器有望用于智能海工裝備周圍的波浪信息監測。

【圖文簡介】
圖1 高靈敏度波浪傳感器(WS-TENG)的設計示意圖

a) 用于監測海工裝備周圍波浪的WS-TENG示意圖；
b) WS-TENG的設計示意圖，內插是經處理后具有微觀結構的PTFE表面的SEM圖像以及原始PTFE和經處理的PTFE的接觸角測量圖像。

圖2 WS-TENG的工作原理

a) 水與WS-TENG的PTFE表面形成的雙電層示意圖；
b) WS-TENG的工作原理和不同階段的電荷分布。

圖3 基底、波高和頻率對WS-TENG輸出電壓的影響

a) 兩種類型基底(即亞克力板和矩形亞克力管)的WS-TENG輸出特性實驗；
b) 附著在具有不同厚度亞克力板和亞克力管上的WS-TENG輸出電壓；
c) 在電極寬度為10 mm，H=10-80 mm和f=0.6 Hz條件下測量的WS-TENG的輸出電壓；
d) 電壓峰值與波浪高度(w= 5、10和20 mm)之間的關系；
e) 在電極寬度為10 mm，f=0.6-1.2 Hz的不同頻率條件下測量的輸出電壓；
f) H=10-80 mm下波浪頻率對電壓峰值的影響。

圖4 鹽度對WS-TENG輸出電壓和靈敏度的影響

a) H = 10 mm、水溶液鹽度(C)為0-35 mg·mL^-1 時，WS-TENG的輸出電壓；
b) 鹽度對輸出電壓峰值的影響；
c) 鹽度為35 mg·mL^-1、H=10-80 mm、f=0.6 Hz時，在水中測量的輸出電壓；
d) 鹽度為0-35 mg·mL^-1時電壓峰值與波高之間的關系；
e) 鹽度對WS-TENG靈敏度的影響；
f) 鹽度為35 mg·mL^-1時，WS-TENG的3天長效測試。

圖5 WS-TENG在智慧海工裝備表面的應用

a) 從WS-TENG獲得的波浪監測信號的過程；
b) WS-TENG監測海洋平臺周圍的波浪；
c) 從WS-TENG獲得的瞬時波浪高度值；
d) 一個周期內水波的四個瞬時狀態圖像。

【小結】

綜上所述，作者提出并研究了一種基于液-固界面摩擦納米發電機的高靈敏度波浪傳感器。波浪傳感器由覆蓋具有微結構表面PTFE薄膜的Cu感應電極制成。實驗研究了波浪傳感器基底、波高、頻率和鹽度對WS-TENG輸出性能的影響。作者發現WS-TENG的輸出電壓峰值隨波高線性變化。電極寬度為10 mm的WS-TENG的靈敏度為0.023 V/mm，這表明該新型傳感器可以感應毫米范圍內的波高。通過加寬電極和/或增強PTFE材料表面疏水性，可以進一步提高靈敏度。相反，WS-TENG的輸出電壓峰值與波頻率無關。此外，當水的鹽度從0增加到0.035 g·mL^-1時，輸出電壓會急劇下降，這可能是由于高離子濃度降低了電極中的感應電荷。值得注意的是，WS-TENG的輸出電壓與波高之間的線性關系在不同的鹽度下仍然有效。在波浪水槽中，波浪傳感器成功用于監測海上平臺周圍的波浪信息。因此，該新型波浪傳感器具有高靈敏度監測智能海工裝備周圍波浪的巨大優勢。

文獻鏈接：A highly-sensitive wave sensor based on liquid-solid interfacing triboelectric nanogenerator for smart marine equipment (Nano Energy, 2018, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.12.041)

本文由材料人編輯部abc940504【肖杰】編譯整理。

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