王中林院士/北交张楚国、李修函等综述：TENG在海洋能源收集和原位电化学领域的应用研究进展

研究背景

海洋蕴藏的丰富可再生能源是人类获得大规模绿色电力的最重要场所。其中，海洋波浪能的年储量超过10000太瓦时，是海洋蓝色能源发展的重要目标之一。此外，结合海洋中蕴藏的丰富水资源，通过电化学方法原位利用相应的电能，将是获得低成本的清洁燃料、淡水和海洋有机污染物处理的重要方法。依靠摩擦起电和静电感应原理的摩擦电纳米发电机(TENG)技术具有轻便和低频高效率的特点，使其具有超高的质量功率密度，非常适合用于构建漂浮式海洋能收集装置。得益于动力转换装置、新材料和新理论等方面的研究，海洋能收集TENG的各种性能得到了大幅度地提高。此外，相应的拓扑集成和大尺寸器件的中试研究对该领域的商业应用起到了重要的推动作用。最后，依靠高性能海洋能收集装置获得的低成本电力，原位利用的先进自供电海洋电化学系统同样取得了巨大进展。因此，海洋能量收集TENG和相应的原位自供电电化学系统研究，不仅为TENG的工业化应用提供了关键的技术保障，也为尽早实现人类可持续发展目标提供了更多的技术选择。

Advances in TENGs for Marine Energy Harvesting and In-situ Electrochemistry

Chuguo Zhang*, Yijun Hao, Xiangqian Lu, Wei Su, Hongke Zhang, Zhong Lin Wang*, Xiuhan Li*

Nano-Micro Letters (2025)17: 124

https://doi.org/10.1007/s40820-024-01640-w

本文亮点

1. 详细介绍了TENG的基本信息、海洋能收集TENG的功率转换过程和关键点。

2. 通过梯度分类对海洋能量收集的相关研究进行了深入介绍和分析。

3. 本文不仅对最新的研究进展、发现和挑战进行了更深入的总结，而且对相关问题的解决方案和未来发展方向做出了合理展望。

内容简介

鉴于对TENG在海洋能收集和原为电化学应用研究领域快速的发展，北京交通大学张楚国/李修函和中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林等人对近十年来TENG在海洋能和原位清洁燃料生产方面的研究进展进行了系统且全面的分类和总结。首先，详细介绍了TENG的基本信息和海洋能收集TENG的动力转换过程以及所涉及的关键点。此外，通过梯度分类对相关研究和应用进行了深入的介绍和总结：(1)第一步将相应的研究工作划分为基础研究、结构设计、动力转换和工程研究四大方向；(ii)在上述的分类基础上，将相应的研究方向进一步划分为八个主题：基本研究、原理创新、基本结构、最优化输出；(iii)进一步根据具体研究内容，进一步细分为16个研究主题：先进材料、力学分析、液固结构、电荷激励、滚动结构、接触分离、滑动模式、复合集成、辅助弹簧、辅助摆、齿轮组/涡轮、全向设计、中试研究、拓扑结构、水下能源和电化学应用。最后，不仅对最新的研究进展、发现和挑战进行了更深入的总结，而且对相关问题的解决方案和未来的发展方向做出了理性的展望。因此，希望本文将为该领域的后续研究提供重要的研究思路和参考，并为加速人类绿色能源体系的可持续发展贡献相应的力量。

图文导读

I 海洋能收集的TENG的基本信息

TENG一般由电极和摩擦电材料组成，根据摩擦电材料组成具有固固、固液、液液、气固和气液五种组成，而根据结构组成则具有单电极、滑动模式、接触分离和独立层四种结构(图1a-c)。其基本物理学模型和原理分别为可变电容和麦克斯韦位移电流(图1d-e)。根据相关研究工作，海洋能收集TENG的动力传递链和系统结构可简化为图1f。首先，与水直接接触的俘能体将对海洋能的动力进行截获并将其转化为整个海洋能收集装置本身的动力。先进俘能体的设计是实现高效海洋能收集的重要基础，相关主要涉及流体力学的几何结构设计。其次，海洋能收集装置中的动力输出装置(PTO)将通过惯性作用捕获相应的动力并将其传递给TENG，PTO的惯性动力捕获和传递能量效率对海洋能的有效收集起着至关重要的作用，其通常由齿轮和摆等机械传动部件组成。最后，TENG则利用PTO输出的动力输出电能进而实现相应的海洋能收集，通过材料、结构和电荷激励等方面的研究提高TENG的输出性能对整个海洋能收集过程则具有决定性的作用。因此，提高俘能体动力截获、PTO的动力捕获和输出、TENG的输出新跟那个以及三者之间的系统协调对海洋能收集TENG的研究都具有重要影响。

图1. 海洋能收集的TENG的基本信息。(a)TENG的结构图。(b)由四种物质形态组成的TENG结构图。 (c)四种基本模式的TENG原理图。(d)触点分离TENG的电容模型图。(e)麦克斯韦位移电流关系与TENG之间的树形发展框架。(f)海洋能源收集TENG的动力传输链。

II 总结与展望

TENG作为一种新兴技术，最近十年其在海洋能源收集研究领域却发展十分迅速，并取得了许多具有里程碑意义的研究成果。相关公开数据表明的相关科研论文数量正在快速增加(图 2a)。在发表218篇研究工作种，约80%的研究工作发表在影响因子(IF)大于10的国际top期刊上(图 2b)。根据相关统计数据还可以发现海洋能收集TENG的输出功率密度在不同的研究方向上都实现了较大的突破(图 2c)。基于这些众多的研究成果，我们分别对16个研究方向的存在问题和发展提出了相关展望以更好地促进该领域的发展。

图2. 海洋能采集TENG相关研究的数据统计分析。(a)过去十年中海洋能源收集TENG每年发表论文数量的统计图表。(b)海洋能源收集TENG在不同层次国际期刊发表论文的数据分布图。(c)不同研究方向种海洋能源收集TENG的最大功率密度比较图。

(1)先进材料：针对目前高输出摩擦电材料主要集中在正摩擦电材料的现状，未来相应的研究应聚焦到通过理论模型研究等方法并结合官能团设计开发出具有超高负摩擦电性能的新材料。此外，更深入地研究不同材料的摩擦电机理并揭示其对应的机理，将是设计新型正、负摩擦电材料以大幅提高TENG电输出的重要研究方向。最后，对于具有环保特性的TENG研究需求，以石墨烯为基础构建可降解的电极同样是一个重要的研究内容。

(2)力学分析：基于当前研究缺乏相应的实验验证而使得多因素之间的耦合机制尚不清楚。因此，通过理论+实验方法对影响海洋能收集TENG性能的各因素进行系统且全面研究则十分必要。此外，通过仿真软件及对波浪方程的相关研究严重缺乏创新性致使相关研究结论的指导意义十分有限。在后续的研究中结合人工智能技术充分利用其快速数据分析的特性突破目前基于传统模型的局限性，进而开发出性能更好的新型TENG结构模型。

(3)液固TENG：液固表面双电层存在缓慢离子吸附效应在很大程度上削弱了液固TENG的电输出和稳定性。通过进一步研究液固摩擦电的机理进而探索最小化离子吸附效应的材料设计则是促进液固TENG实际应用的重要研究方向。此外，海水作为海洋的主体，是安装液固TENG最重要的原料。后续的研究中加快这一方向的研究则具有更加现实的意义。

(4)激励电荷：海洋能超低频特性使得电荷激励的TENG在波浪驱动下很难获得足够的激励电荷进而严重影响该技术优势的发挥，故而应该通过系统组成优化和电路管理的研究以提高电荷激励技术在海洋能收集过程中的实用性。同时，受空气和介电材料击穿的限制，电荷激发TENG的电输出上限仍需进一步提高，开发具有更高击穿场强介电材料和更高效的电荷激励电路则显得尤为重要。

(5)滚动模式：虽然相应的结构设计经历了单点接触到多点接触、多线接触模式转变和多面接触的发展过程大幅度提高了输出性能。但是相较于其他类型的TENG输出性能仍然较低。因此，未来该类型的TENG的发展应主要集中在充分利用其优异稳定性来开发高稳定电荷源，进而结合空气可变电容开发高输出海洋能收集TENG。

(6)接触分离：为了解决非弹性碰撞、输出频率低、异步相位导致的TENG单元反向充电反若和高静电吸引力等问题对其限制，迫切需要通过力学研究方法开发阻尼型接触分离TENG以避免非弹性碰撞造成的能量损失和高效同步分离的TENG实现高效电能的同步相位输出。

(7)滑动结构：滑动结构TENG由于摩擦力问题需要更高驱动力矩并产生较大能量损耗，且较高的摩擦会严重影响TENG的使用寿命。当前通过软接触、润滑剂和间隙滑动的设计以牺牲输出性能为代价的在一定程度上改善了滑动结构TENG输出性能和耐久性。然而，通过开发具有高静电感应的摩擦电材料和空气可变电容器构建完全依靠静电感应的高输出TENG将是最终选择。

(8)混合集成：在TENG与现有海洋能收集装置复合集成研究中面临着不能充分利用TENG低频高效率和轻量化特点的优势，未来相关研究应该充分考虑不同类型发电机的特点，通过集成系统优化设计充分发挥不同发电机优势以实现最优的海洋能收集效率。此外，在现有电源管理电路设计的基础上，开发更高效的复合式发电机管理模块，将具有提高TENG电能输出和推动其商业化的双重作用。

(9)辅助弹簧：一体化弹簧结构的设计不仅可以通过阻尼作用提高TENG的输出频率，而且可以有效地降低TENG的驱动力实现阻尼形式的能量收集。然而，其引入产生的机械阻抗会降低整个设备的电学输出。此外，集成弹簧的设计仍很难使TENG实现超高频的电能输出，如何通过弹簧设计出更高、更稳定的电能输出的海洋能收集TENG仍然是一个重要的研究方向。

(10)辅助摆：摆振由于周期大而存在一个十分致命的缺陷，其并不利于高效的机电转换，集成摆的海洋能收集TENG在提高能量收集效率的天花板较低。因此，通过结构设计、齿轮组和TENG参数的匹配优化，尽可能提高TENG对摆阻尼效应的高效利用效率显得非常重要。

(11)齿轮组/涡轮：目前齿轮组在海洋能收集TENG的研究中并没有通过一体化、系统化的设计来充分发挥其优良的机械调节特性，后续研究应该对PTO、齿轮组和TENG进行一体化设计提高整个装置系统的稳定性和电能输出。涡轮在目前的研究中仅作为气动装置使用进而存在体积和质量大的问题，未来的相关研究应基于轻量化的设计要求开发复合集成的海洋能收集装置。

(12)全向设计：采用环形结构设计的TENG虽然可以实现全向工作模式但普遍存在输出性能低的问题，后续研究可以通过开发新的全向自由度俘能体和PTO以及全向工作模式的TENG进一步提高整个装置的输出性能。在此基础上，结合电荷激励等方法优化上述三个系统组件之间的协调性以显著提高输出将是后续研究的基本研究思路。

(13)中试研究：后续的相关研究应重点关注TENG安装区域的水文参数，并在此基础上确定TENG装置的尺寸参数和内部结构设计。此外，为了简化后续的工程设计过程，通过相应的中试构建并优化相应的物理模型和技术标准，从而为不同海域的TENG设计提供通用的理论依据。最后，试点TENG的相关设计应在相关企业的深度参与下，并按照相关技术和商业标准进行测试。

(14)拓扑结构：目前拓扑结构的研究工作基本只停留在理论研究和简单的原理证明，并没有进行非常系统且规模化测试。此外，拓扑结构研究迄今尚未提供相应的评价标准，根据相关需求构建合理、准确的评价将是未来亟待解决的问题之一。更为重要的是，海洋环境的复杂性往往会给所有海洋设备的应用带来许多不利影响和挑战。因此，对TENG的拓扑研究应根据理论研究和工程可行性评估的要求逐步开展。

(15)水下能源：目前，水下能量收集是TENG在海洋能收集研究领域最有希望且最早进入商业应用测试的研究方向。然而，目前的相关研究并没有充分考虑海底监测设备对水下能量收集提出的相关要求，只是处于爆发式的探索研究阶段。因此，在未来几年，水下能量收集TENG应充分考虑当前海底探测机器人的结构特点和海底固定传感器装置的周围环境，在保证相关设备功能的基础上开展相关的研究工作。

(16)电化学应用：当前关于原位电化学应用研究都是将现有的电化学技术与TENG技术相结合进行展开，并未充分发挥相关电化学技术的最佳技术性能。后续的相关研究应基于海洋能收集的TENG的输出特性，有针对性地开发相应的电化学技术进而实现能源的高效利用和目标产产物的高速生产。此外，基于电化学技术继续开发低功耗、高价值海水资源分离技术是实现高经济效益最佳途径，并以相应的经济利益加速整个行业的快速发展也是未来研究方向。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2023 JCR IF=31.6，学科排名Q1区前3%，中国科学院期刊分区1区期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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