兰州化物所王道爱研究员、纳米能源所王中林院士《Sci. Adv.》: 气-液两相流发电机

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新闻稿作者：董洋（论文第一作者）

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    华中科技大学机械科学与工程学院

  研究背景

固-液摩擦纳米发电机（SL-TENGs）作为水能采集器，在从水资源中获取能量和应用方面显示出良好的前景。然而，在固-液界面接触起电过程中接触分离速度低、接触面积小、接触时间长等因素严重限制了其输出特性和进一步应用。实现SL-TENGs的高输出电压和高体积电荷密度一直是一个挑战。此外，由于固-液界面接触起电不可避免的会出现液体铺展，弹跳及变形等动力学行为，SL-TENGs很难获得连续稳定的电输出性能。因此，发展具有高输出功率的SL-TENGs的同时，保证电输出性能长时间的稳定性也面临挑战。

近日，中科院兰州化物所王道爱研究员课题组与王中林院士在《Science Advances》期刊上发表了题为“Gas-liquid two-phase flow-based triboelectric nanogenerator with ultrahigh output power”的文章（DOI：10.1126/sciadv.add0464）。为了提高固-液摩擦纳米发电机的输出性能和稳定性，该课题组利用气-液两相流的流变学特性和类似文丘里管的结构设计，开发出了一种以前未知的基于气-液两相流的固-液摩擦纳米发电机（GL-TENG）。结合了接触起电效应和击穿放电效应，利用体积为1.0 mL的水实现了867μA的高电流输出和3789V的高电压输出，分别是传统设计装置的电流和电压输出的430倍和1890倍。其体积电荷密度和体积输出功率分别高达859 mC/m³和143.6 kW/m³，可直接为1500 LEDs和24 W的商用灯泡供电。在微观的电荷转移机理方面，基于密度泛函理论（DFT）建立相应的模型对固-液界面的电荷转移进行仿真模拟，利用专业的流体仿真软件和高速摄像机对气液两相流在固体器件内的动力学特性进行分析。最后还建立了其工作时的等效电路模型，通过结构的串并联设计可持续的获得较大的输出。获得的电输出既可以直接为电子器件供电外，也可以将电能存储起来。这项工作不仅刷新了SL-TENGs的电压输出和体积电荷密度的记录，而且提出了一种新的基于气液两相流的发电装置模型，可以为从水中有效收集可再生清洁能源提供一种策略。该研究对认识多相流与固体界面之间的摩擦起电行为以及机械运动过程中高速油液的静电防护具有重要意义。

图1：GL-TENG的结构设计和输出性能。(A) GL-TENG的示意图和微观电荷转移机制。(B) GL-TENG的电流输出。(C) GL-TENG的电压输出。(D) GL-TENG的稳定性测试以及为1500个LEDs供电。(E) GL-TENG得到的峰值电压值与先前同行报告的比较。

图2：GL-TENG的工作原理。GL-TENG产生的(A)电流、(B)电压和(C)转移电荷。(D)初始电荷积累过程的工作示意图。(E)GL-TENG稳定运行过程的示意图。

图3：不同影响因素对GL-TENG的输出性能的影响。(A)高速摄像机拍摄的气液两相流在管内运动的动态照片。(B)基于Ansys Fluent的气液两相流中液体体积分数模拟。(C) 不同流速下GL-TENG管内气液两相流的压力变化模拟。(D）基于密度泛函理论（DFT）的固液界面电荷转移模拟。（E）-（G）气流速度对GL-TENG输出性能的影响。(H)-（J)固体摩擦材料对GL-TENG输出性能的影响。(K)-（M)液体摩擦材料对GL-TENG输出性能的影响。

图4：GL-TENG的应用。(A) 连续流GL-TENG的输出电压和稳定性测试。(B) 连续流GL-TENG的输出电流。(C）连续流GL-TENG的电荷积累和（D）放电的模拟电路模型。E）高速摄像机拍摄气液两相流的运动。(F) 单个GL-TENG为一盏11瓦的商用灯供电。(G)四个串联的连续流GL-TENG为一盏24瓦的商用灯供电。

原文链接

https://doi.org/10.1126/sciadv.add0464

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