【摘 要】
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随着化石燃料的快速消耗,从自然界中的可再生资源中获取清洁能源是解决能源危机的有效办法之一,从环境中收集自然能量向清洁化学能的转化,也是未来科技发展的重要方向。海洋中的低频水波能是一种很有前途的可再生能源,蕴藏着大量的未开发资源和能源,但是其低频率（＜5hz）和随机的运动模式也给传统能量收集技术带来了极大的挑战。摩擦纳米发电机（triboelectric nanogenerator,TENG）由于结
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随着化石燃料的快速消耗,从自然界中的可再生资源中获取清洁能源是解决能源危机的有效办法之一,从环境中收集自然能量向清洁化学能的转化,也是未来科技发展的重要方向。海洋中的低频水波能是一种很有前途的可再生能源,蕴藏着大量的未开发资源和能源,但是其低频率（＜5hz）和随机的运动模式也给传统能量收集技术带来了极大的挑战。摩擦纳米发电机（triboelectric nanogenerator,TENG）由于结构简单、成本低、质量轻等诸多优点,可以有效的收集和利用环境中的低频机械能。因此,提高对不规则低频水波能量收集的效率,同时捕获海洋中充足的太阳能,实现水波能向化学能的高效转化是本论文的第一研究要点。由于摩擦电纳米发电机在能量转换过程存在不可避免的能量损耗,提高能量传输效率,使获取能量不受限于天气环境等外界因素,真正实现水波能向清洁氢能的转化,是本论文的第二研究要点。由于摩擦电纳米发电机的脉冲输出会带来能量损失,也不利于能量存储,实现摩擦电纳米发电机的直流输出对能量收集体系进行改进是本论文的第三个研究要点。基于以上研究要点,本论文从对海洋水波能的收集方式出发,对水波能向清洁能源的转化体系进行了完善,下面介绍具体的研究工作:（1）首先设计制备了一种齿轮驱动的单向加速摩擦纳米发电机（GUA-TENG）,可以将无序的低频水流转化为直流输出,为光电催化水分解电池（Ti-PEC）提供外部偏压,同时捕获海洋中充足的太阳光能,将两种环境能源转化为氢气形式的化学能,实现对海洋低频水波能和太阳能的收集和利用。光照不足时,借助电源管理电路将的低频水波能存储到锂电池（Co-LIB）中,实现全天多种能量向化学能的高效转换。阳光充足时,在120rpm的转速下,GUA-TENG的制氢速率可以达到4.65μL min-1,电能的存储速率达到275 mV min-1。整个体系的能量转换效率为2.29%,其中,制氢过程的能量转换效率为1.06%,电能存储过程的能量转换效率为3.69%,实现了海洋低频水波能高效向化学能的转化,为海洋能源的实际利用提供一种新的途径。（2）然后通过对TENG输出从交流到直流过程的优化,使其能直接驱动电解水获取氢能,更好地实现了水波能向清洁化学能源的转化。水流驱动的摩擦纳米发电机（FW-TENG）的整流电路只需两个二极管,极大地减少了不必要的能量损耗,FW-TENG的大功率输出可直接驱动水分解制氢,同时也提高了水波能向氢能转化的效率。140 rpm下,FW-TENG的短路电流（Isc）输出约为90 μA,开路电压（Voc）输出约为110 V。与传统全波整流相比,自整流后FW-TENG的Isc和Voc明显有更高的输出。Isc输出约提高1.2倍,Voc输出约提高1.25倍。在140 rpm的转速下FW-TENG的制氢速率为12.32 μL min-1,水波能向氢能转化的效率为2.0%。这种摩擦纳米发电机驱动的水分解制氢体系真正实现了水波能高效向氢能的可持续转化,在可持续能源的开发方面具有很大的应用潜力,也为清洁能源的开发开辟了一条新的道路。（3）通过对传统摩擦纳米发电机的结构进行改进,构建了一种可以得到直流输出的摩擦纳米发电机（DC-TENG）,利用多相结构对脉冲输出进行有规律的叠加,得到恒定的直流输出。随着接入电路的电极数量增加,DC-TENG的电流也逐渐增大,当全部电极接入电路时,DC-TENG可提供35 μA和130V的直流输出,足以直接驱动大多数电子设备。DC-TENG的几乎恒定的直流输出在能量存储方面也有明显的优势,能有效地将低频水波能转化为电能,DC-TENG可将商业锂电池（LIB）在30 min内迅速充电到1.8 V,50 min后LIB的电压可达到2 V,可以直接驱动大负载的反应体系。而传统摩擦纳米发电机给LIB充电时,LIB电压的增加速度较为平缓,50 min后电压仅达到1.8 V。因此,不管是充电速率还是电量存储能力,DC-TENG都具有明显的优势,未来有更大的发展潜力。
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