现如今，人类社会正面临着许多紧迫的问题，如能源危机、气候变化、环境污染等。为了缓解这些因过度开采化石燃料而造成的问题，开发可再生的清洁能源是一种理想的解决方法。流体能，如风能或水流能，在自然界中广泛存在，其中蕴含着巨大的能量，对它的开发和利用有望缓解当今世界面临的能源危机。

中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、吴治峄研究员等人报道了一种基于旋转-平移机制的多层叠加式摩擦纳米发电机（MLS-TENG），用于收集流体能量并应用于环境保护。该机制是将流体诱导的旋转转化为MLS-TENG的相互平移，从而将流体能量转换为电能。此外，受益于多层叠加的结构设计，开路电压从860 V提高到2410 V，在实际河流中获得了2 mJ min-1的高效能量采集率。此外，作者基于MLS-TENG构建了一个自供电的无线温湿度监测系统和一个金属防腐系统。这项研究为有效收集环境流体能量提供了指导，在环境监测和保护方面具有广阔的应用前景。该研究以题为“A Multi-Layer Stacked Triboelectric Nanogenerator Based on a Rotation-to-Translation Mechanism for Fluid Energy Harvesting and Environmental Protection”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。

【MLS-TENG的设计与工作原理】

作者设计了一个用于环境能量采集的MLS-TENG。其滑块和定子直接堆叠在一起，且滑块是与杆连接的，因此在法线方向的运动没有受到限制。TENG单元中以尼龙作为正摩擦材料，定子使用聚四氟乙烯作为负摩擦材料，铜作为电极。当圆柱形凸轮旋转时，从动杆的轴承被凸轮槽的侧壁推动，从而将旋转运动转换为线性往复运动。在初始阶段，聚四氟乙烯薄膜与尼龙薄膜充分接触，由于摩擦起电原理，聚四氟乙烯薄膜表面带负电，尼龙薄膜带正电，两者的总电荷相等。当圆柱形凸轮旋转并带动尼龙膜往复运动时，铜电极上的自由电荷将在外部负载的作用下重新分布，根据静电感应原理平衡电位差的变化，电荷在两个电极之间循环传递，因此产生电输出。

图1 MLS-TENG的结构

图2 MLS-TENG的工作原理

【MLS-TENG的输出性能】

为了研究MLS-TENG在不同转速下的输出性能，作者使用旋转电机来驱动MLS-TENG。结果表明，不同转速下的开路电压和短路电流随着层数的增加而稳步增加，这说明MLS-TENG具有良好的堆叠效应，电压可从860 V增加到2410 V，电流从5.6 μA增加到18.35 μA。为了更好地了解MLS-TENG在施加外部负载时的输出性能，作者在凸轮转速为60 rpm时测量了5层MLS-TENG的峰值电压和峰值功率与负载电阻之间的关系。在负载电阻为20 MΩ时，其最大输出功率为10.58 mW。此外，在能量管理系统（EMS）的帮助下，MLS-TENG的充电速度提高了≈9.1倍。最后，作者测试了MLS-TENG的耐久性。在以30 rpm的转速下不间断运行≈10800次之后，MLS-TENG的电荷密度仅有约7.02%的轻微衰减，展现出了出色的稳定性。

图3 MLS-TENG的电输出性能

【MLS-TENG的应用演示】

基于该MLS-TENG，作者建立了一个自供电的无线温度和湿度传感系统，用于环境监测。当MLS-TENG开始工作时，电容器仅在183秒内即能被充电到3.4 V的工作电压，且每49.7秒可进行一次无线数据传输。此外，作者还将具有不同层数的MLS-TENG在河流的低速和高速区域进行有效的能量采集。通过记录用于储存能量的电容器的电压，作者计算出了MLS-TENG的能量收集率，5层的能量收集率达到2 mJ min-1，1层的能量收集率达到0.46 mJ min-1。这表明MLS-TENG可以在河流的各个部分进行有效的能量采集。最后，作者使用MLS-TENG作为动力源为金属提供阴极保护。当碳钢与MLS-TENG连接时，其开路电位值与初始状态相比下降了477.3 mV，验证了MLS-TENG对金属防腐的有效性。碳钢的腐蚀电位也从-1.218正移到-0.618 V，这表明MLS-TENG可以为金属提供有效的阴极保护。作者将有无MLS-TENG的碳钢在盐水中浸泡3小时后进行了对比，为基于MLS-TENG的自供电金属防腐系统所提供的防腐效果提供了一个直观的展示。

图4 MLS-TENG在环境监测和能量采集方面的应用

图5 MLS-TENG在金属防腐中的应用

总结：作者制作了一个基于旋转-平移机制的MLS-TENG，用于流体能量的采集和环境保护。通过合理的机械结构设计，MLS-TENG的各层可以高效、便捷地叠加，在实际的河流中，其能量收集率达到2 mJ min-1。基于该MLS-TENG，作者构建了一个自供电的无线温湿度监测系统，每49.7秒可进行一次无线数据传输。作者还构建了一个自供电的金属防腐系统，可以显著降低碳钢的腐蚀率。这项工作有助于在未来实现可再生清洁能源的采集、自供电的环境监测和保护。