李申芳 王軍雷，2) 王中林

* (鄭州大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，鄭州 450001)

? (中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所，北京 101400)

引言

化石燃料過度消耗引起的能源危機(jī)成了世界面臨的最嚴(yán)峻問題之一，探索從自然界中獲取清潔能源是當(dāng)前重要的研究熱點(diǎn)[1，2].地球上大氣層、海洋、河流等都蘊(yùn)含巨大的清潔環(huán)境能源，這些流體所包含的機(jī)械能可通過不同的能量俘獲技術(shù)轉(zhuǎn)化為電能，為人們的日常生活、微機(jī)電系統(tǒng)和環(huán)境中的各類監(jiān)測傳感器等提供電力支持[3-6].

太陽能作為一種清潔能源，太陽能發(fā)電受天氣影響十分嚴(yán)重[7].研究人員利用熱電效應(yīng)將環(huán)境中的廢熱能轉(zhuǎn)化為電能為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供電，但熱電技術(shù)容易受到環(huán)境溫差的限制，應(yīng)用范圍有限[8].風(fēng)能是環(huán)境中極為豐富的一種清潔能源，學(xué)者們基于電磁感應(yīng)原理對風(fēng)能俘獲進(jìn)行了許多研究并且取得了相當(dāng)豐富的成果[9-13].隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和微機(jī)電系統(tǒng) (micro electro mechanical systems，MEMS) 技術(shù)的發(fā)展，研究人員利用壓電效應(yīng)來俘獲風(fēng)能，取得了頗為豐富的研究成果[14-19].此外，隨著摩擦納米發(fā)電機(jī)(triboelectric nanogenerator，TENG)的發(fā)明和興起[20]，其在自供電系統(tǒng)中展現(xiàn)出的巨大潛力引起了研究人員們廣泛關(guān)注.兩種材料間的接觸起電和靜電感應(yīng)耦合效應(yīng)是摩擦納米發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ).作為一種新型能量俘獲技術(shù)，摩擦納米發(fā)電機(jī)自發(fā)明以來在風(fēng)能俘獲轉(zhuǎn)換中獲得廣泛的研究及應(yīng)用[21-25].Jiang 等[26]利用基于銀納米顆粒的摩擦納米發(fā)電機(jī)俘獲風(fēng)能，結(jié)合電源管理電路和鋰電池開發(fā)了自供電單元.當(dāng)發(fā)生內(nèi)、外部繞流時(shí)，流體和固體之間會由于流固耦合效應(yīng)從而發(fā)生相互作用，從而產(chǎn)生流致振動現(xiàn)象.流致振動主要包括渦激振動、馳振和顫振等[27-28]，上述幾種振動均可發(fā)生共振性質(zhì)的極限環(huán)振蕩，其蘊(yùn)含的振動能量亦可有效通過摩擦納米發(fā)電機(jī)來轉(zhuǎn)化為電能[29-30].除了風(fēng)能之外，摩擦納米發(fā)電機(jī)在液體能量俘獲中也展現(xiàn)出了巨大的潛力及獲得了豐富的研究成果[31-32]，包括在波浪[33]、水流[34]和液滴[35]等方面的能量俘獲.Wang 等[36]基于摩擦納米發(fā)電機(jī)開發(fā)了用于船舶姿態(tài)監(jiān)測的傳感器，所設(shè)計(jì)的裝置堅(jiān)固、自供電、制造工藝簡單成本較低.Jiang 等[37]設(shè)計(jì)了一種在圓柱殼體內(nèi)擺動的摩擦納米發(fā)電機(jī)并用于俘獲超低頻波浪能，在單次外部觸發(fā)激勵(lì)下實(shí)現(xiàn)了88 s 的長時(shí)間俘能擺動.通過對電容充電實(shí)現(xiàn)為溫度計(jì)和無線發(fā)射機(jī)等設(shè)備供電.Helseth[38]將滴液摩擦納米發(fā)電機(jī)應(yīng)用于自供電水滴計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)中.Jiang 等[39]參照樹木葉子設(shè)計(jì)了一種摩擦納米發(fā)電機(jī)來俘獲環(huán)境機(jī)械能，并通過并聯(lián)摩擦納米發(fā)電機(jī)來提升短路電流.水滴流為24 ml/s 時(shí)，并聯(lián)4 個(gè)摩擦納米發(fā)電機(jī)可產(chǎn)生峰值為18 μA 的短路電流.鑒于摩擦納米發(fā)電機(jī)在流體能量俘獲方面的巨大潛力和所取得的豐富成果，因此有必要對基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的流體能量俘獲研究進(jìn)展進(jìn)行綜述.

本文對基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的流體能量俘獲的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述.首先，綜述了流體能量俘獲摩擦納米發(fā)電機(jī) (fluidic energy harvesting TENG，F(xiàn)EHTENG) 的基礎(chǔ)理論和不同的界面之間的工作模式.接著綜述了FEH-TENG 在自然風(fēng)能以及流致振動能量俘獲中的研究和應(yīng)用.在液體能量俘獲中綜述了以波浪能和液滴能為基礎(chǔ)的FEH-TENG 的研究現(xiàn)狀.綜述了基于FEH-TENG 的混合能量俘獲系統(tǒng).接著介紹了摩擦電材料在提升能量俘獲效率方面的研究以及FEH-TENG 的應(yīng)用現(xiàn)狀.最后討論了目前存在的一些問題并提出一些展望.

1 基礎(chǔ)理論

1.1 接觸起電理論

摩擦起電和靜電感應(yīng)是摩擦納米發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ).對于晶態(tài)類電介質(zhì)材料 (金屬、半導(dǎo)體等)，其接觸起電的電荷轉(zhuǎn)移過程可通過能帶論的表面狀態(tài)模型描述[40]，如圖1 所示.材料1 和材料2 是摩擦納米發(fā)電機(jī)的兩種接觸材料，其中一種是絕緣體并且兩種材料具有不同能帶，即有不同的導(dǎo)帶(Ec) 和價(jià)帶(Ev) 及表面態(tài)的中間能級 (En).接觸起電的過程如下:接觸前，材料1 中被占據(jù)的表面態(tài)比材料2 中未被占據(jù)的表面態(tài)具有更高的能量，如圖1(a) 所示；材料1 和材料2 發(fā)生接觸后，部分電子從材料1的表面轉(zhuǎn)移到材料2 的表面而發(fā)生接觸起電，如圖1(b)所示；當(dāng)兩種材料分離后，轉(zhuǎn)移到材料2 的電子不會全部立即轉(zhuǎn)移回材料1 中，這樣材料1 和材料2 上就產(chǎn)生了凈正電荷和凈負(fù)電荷.轉(zhuǎn)移的電荷受到表面態(tài)束縛，同時(shí)材料的電導(dǎo)率低電荷自由流動受限[1].因此，材料1 和材料2 分離后，通常這些電荷會長時(shí)間的留在材料的表面上.

圖1 電荷轉(zhuǎn)移的表面狀態(tài)模型[40]Fig.1 Surface states model of charge transfer[40]

對于一些非晶態(tài)電介質(zhì)材料 (如木材、動物皮毛和頭發(fā)等) 的接觸起電則無法用表面狀態(tài)模型來描述.針對這一問題，Xu 等[41]在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了一般原子和分子水平上的接觸起電模型，如圖2所示.其中，A 和B 代表兩種材料的不同原子，一個(gè)原子可以用一個(gè)勢阱描述，外層電子受到原子的束縛形成電子云.圖2(a) 中兩電子云之間的距離為d，EA和EB分別是A 和B 原子中電子的占據(jù)能級，E1和E2分別是電子從材料A 和B 表面逃逸所需的勢能，EA和EB分別小于E1和E2.當(dāng)材料A 與材料B 接觸時(shí)，兩原子的距離變小電子云發(fā)生重疊，接觸前的單勢阱就變成了不對稱的雙勢阱，電子便從材料A 中轉(zhuǎn)移到材料B 中(圖2(b)).在材料A 和材料B 分離后，溫度變化不大時(shí)，材料B 中的能量屏障E2使得從材料A 中轉(zhuǎn)移過來的電子大部分被保留下來.材料A 和B 之間發(fā)生接觸起電(圖2(c)).圖2(d)表示隨溫度上升，原子B 中的電子發(fā)生逃逸轉(zhuǎn)移過程.

圖2 一般材料接觸起電的電子云-勢阱模型[41]Fig.2 An electron-cloud-potential-well model of general material contact charged[41]

上述中描述的是不同材料之間的接觸起電過程，實(shí)際上在同種材料中也是會產(chǎn)生接觸起電的.Xu 等[42]研究了同種材料間的接觸起電的機(jī)理，提出了具有曲率效應(yīng)的同種材料表面狀態(tài)模型，如圖3所示.根據(jù)能帶理論，表面為理想平行的兩種材料具有相同的最低空位分子軌道和最高占據(jù)分子軌道，表面態(tài)的中間能級(En)也相同，如圖3(a)所示.實(shí)際上材料的微納尺度表面特征是存在一定曲率的，如圖3(b) 中材料A 的凸面和材料B 的凹面.材料A 的凸面中的En移到較圖3(a)低的水平，而材料B 凹面中的中En則移到較圖3(a)高的水平，因此產(chǎn)生了能級差.當(dāng)凸面與凹面接觸時(shí)，材料B 中高能態(tài)的電子就轉(zhuǎn)移到材料A 中，見圖3(c).材料分離后轉(zhuǎn)移到A 中的電子將保留在材料A 中，見圖3(d).

圖3 同種材料間的接觸起電機(jī)理[42]Fig.3 Contact charging mechanism between the same material[42]

1.2 摩擦納米發(fā)電機(jī)工作模式

根據(jù)接觸界面材料的不同，F(xiàn)EH-TENG 可分為固-固接觸式、固-液接觸式和液-液接觸式摩擦納米發(fā)電機(jī)[3].其中，固-固接觸式和固-液接觸式摩擦納米發(fā)電機(jī)有很多相似的物理特征并且具有相同的工作模式.根據(jù)電介質(zhì)層的運(yùn)動方式和電極的不同，摩擦納米發(fā)電機(jī)的工作方式可分為接觸分離模式、單電極模式、橫向滑動模式和獨(dú)立模式四種[43-45]，如圖4 所示.接觸分離模式(圖4(a)) 是在FEHTENG 中應(yīng)用比較廣泛的一種工作模式，在周期載荷作用下兩種材料間發(fā)生周期性的接觸和分離，兩個(gè)電極之間的電勢變化驅(qū)動一個(gè)電極中的自由電子經(jīng)外負(fù)載電路流向另一電極以平衡電場.Lei 等[46]設(shè)計(jì)了一種接觸分離模式的蝶形摩擦納米發(fā)電機(jī)(圖4(a))用于俘獲波浪能量，該裝置的短路電流和開路電壓可達(dá)到75.35 μA 和707.01 V.單電極模式(圖4(b))的一端為金屬電極 (常與電介質(zhì)材料相連)，另一端為電介質(zhì)材料或帶電液滴.該模式依靠自由端電介質(zhì)和帶電液滴來驅(qū)動電極和大地之間的發(fā)生電荷交換.Yang 等[47]應(yīng)用單電極模式摩擦納米發(fā)電機(jī)(圖4(f)) 研究了液滴動態(tài)運(yùn)動下的電流輸出特性，指出液滴在摩擦電層表面上的跳動導(dǎo)致一個(gè)正負(fù)電流峰，液滴從摩擦電表面脫離導(dǎo)致另一個(gè)負(fù)電流峰.橫向滑動模式 (圖4(c))的結(jié)構(gòu)組成與接觸分離模式相同，但界面間的運(yùn)動變?yōu)闄M向滑移.接觸面積變化產(chǎn)生電勢差驅(qū)動一端電極中的自由電子通過外電路流向另一端電極.圖4(g)是Xia 等[48]提出的一種基于橫向滑移模式的堆疊式摩擦納米發(fā)電機(jī)，單個(gè)運(yùn)動時(shí)的開路電壓為1000 V，短路電流為42 μA.相同條件下4 個(gè)單元的短路電流增加到了157 μA.獨(dú)立模式 (圖4(d))包含一個(gè)自由移動的電介質(zhì)層和兩個(gè)固定電極，電極之間存在間隙.電介質(zhì)的移動改變了電位分布而驅(qū)動電子在電極之間流動.該模式在風(fēng)能和波浪能俘獲中的應(yīng)用十分廣泛，常用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有圓盤形式浮球形式等[49-50].圖4(h)是一種基于獨(dú)立模式的波浪能采集摩擦納米發(fā)電機(jī)[51].波浪作用在浮球上，中間的電介質(zhì)球在兩個(gè)電極之間來回運(yùn)動驅(qū)動電荷轉(zhuǎn)移.

圖4 摩擦納米發(fā)電機(jī)的四種基本工作模式[43-45].(a) 接觸分離模式，(b) 單電極模式，(c) 橫向滑動模式，(d) 獨(dú)立模式，(e) 蝶形摩擦納米發(fā)電機(jī)[46]，(f) 滴液摩擦納米發(fā)電機(jī)測試系統(tǒng)[47]，(g) 滑紙型摩擦納米發(fā)電機(jī)[48]，(h) 球形摩擦電納米發(fā)電機(jī)[51]Fig.4 Four basic working modes of the TENG[43-45].(a) Contactseparation mode，(b) single-electrode mode，(c) lateral sliding mode，(d) freestanding mode，(e) butterfly-inspired TENG[46]，(f) water dropletdriven TENG measuring system[47]，(g) sliding paper TENG[48]，(h) spherical TENG[51]

圖5 所示為Nie 等[52]提出的一種基于導(dǎo)電液體膜的液液型摩擦納米發(fā)電機(jī).液膜接地模式中，液滴與空氣摩擦產(chǎn)生的正電荷在與接地液膜接觸時(shí)轉(zhuǎn)移到液膜上，自由電子從地面流向液膜以中和液滴的電荷.而液膜的自修復(fù)特性則可以保證其在液滴連續(xù)穿越過程中不被破壞.

圖5 液液型摩擦納米發(fā)電機(jī)[52]Fig.5 The TENG with liquid-liquid contact interface[52]

2 基于氣體的能量俘獲

2.1 自然風(fēng)能俘獲

風(fēng)能作為一種清潔可再生的自然資源，從風(fēng)能中獲取能量是一個(gè)研究熱點(diǎn).與傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)一樣，摩擦納米發(fā)電機(jī)在俘獲風(fēng)能時(shí)也需要一定的機(jī)械傳動形式將風(fēng)力轉(zhuǎn)換為摩擦電材料之間的相對運(yùn)動.在風(fēng)能采集中通常采用的是固-固接觸式摩擦納米發(fā)電機(jī)，工作模式包含了前述中的四種工作模式[49，53-55].Gao 等[56]采用轉(zhuǎn)軸和棘輪將風(fēng)力產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為摩擦電材料間的接觸分離運(yùn)動，以60 r/min 的轉(zhuǎn)速運(yùn)行345 600 個(gè)周期 (一個(gè)周期為接觸分離一次) 后開路電壓未見明顯衰減，結(jié)構(gòu)的耐磨損性能較好.通常自然風(fēng)力輸入是一種不穩(wěn)定的機(jī)械能，因此，為獲得穩(wěn)定電能輸出，Wang 等[57]設(shè)計(jì)了一種重力摩擦納米發(fā)電機(jī)(gravity triboelectric nanogenerator，G-TENG)，如圖6(a)所示.風(fēng)斗將風(fēng)的動能經(jīng)驅(qū)動單元轉(zhuǎn)化為質(zhì)量塊的重力勢能，質(zhì)量塊向上觸發(fā)開關(guān)后向下移動，同時(shí)轉(zhuǎn)子也開始轉(zhuǎn)動.GTENG 實(shí)現(xiàn)自然風(fēng)能的穩(wěn)定采集并轉(zhuǎn)化為電能，短路電流峰值的標(biāo)準(zhǔn)差小于0.31 μA.試驗(yàn)顯示GTENG 只需14 s 即可將10 μF 電容從0 V 充電至5 V，并且G-TENG 成功連續(xù)的點(diǎn)亮LED 板.雖然該結(jié)構(gòu)能穩(wěn)定輸出，但存在間斷性輸出的不足.

在風(fēng)能量俘獲和自供電式風(fēng)速監(jiān)測研究方面，大的工作風(fēng)速范圍是十分必要的，Liu 等[58]設(shè)計(jì)的基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的風(fēng)速傳感器，在風(fēng)速15 m/s到25 m/s 的范圍內(nèi)靈敏度為1.79 μA·m/s，電流與風(fēng)速呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系.Lee 等[59]設(shè)計(jì)的一種可堆疊的圓盤型風(fēng)力滾動式摩擦納米發(fā)電機(jī)(disk-shaped wind-rolling TENG，DWR-TENG)如圖6(b)所示.八塊氣流導(dǎo)向板以一定的角度和間距圍成一圈，導(dǎo)板之間的缺口同時(shí)充當(dāng)氣流的入口和出口，氣流在中心區(qū)域形成的旋渦帶動靜電球沿著電極轉(zhuǎn)動.輕質(zhì)的帶電球使DWR-TENG工作的最高與最低風(fēng)速差達(dá)到11 m/s.4 個(gè)DWR-TENG 單元在最高17.5 m/s風(fēng)速下運(yùn)行時(shí)獲得了平均電壓為5 V 穩(wěn)定直流輸出.此外，針對弱風(fēng)條件下難以發(fā)電的問題，Zaw 等[60]提出了一種帶狀的風(fēng)驅(qū)動摩擦納米發(fā)電機(jī).在最小工作風(fēng)壓為0.05 MPa時(shí)，開路電壓達(dá)到3.5 V、短路電流為300 nA.在外部負(fù)載電阻為5 MΩ的條件下輸出功率密度為0.64 mW/m3.該摩擦納米發(fā)電機(jī)運(yùn)行105個(gè)周期后輸出整流電流未見明顯衰減.Ren 等[61]設(shè)計(jì)的微風(fēng)驅(qū)動的摩擦納米發(fā)電機(jī)，在風(fēng)速為0.7 m/s 時(shí)的平均輸出功率達(dá)到20 mW/m3.

圖6 自然風(fēng)能俘獲的摩擦納米發(fā)電機(jī)Fig.6 The natural wind energy collected by TENG

2.2 流致振動能量俘獲

傳統(tǒng)研究認(rèn)為流致振動會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的損壞，從而在工程中應(yīng)予以消除，然而另一方面，近年來研究者證明俘獲流致振動能也可以為微機(jī)電系統(tǒng)或傳感器等提供能量.流致振動能量俘獲通?；跍u激振動、馳振、顫振和尾流馳振等現(xiàn)象[62].渦激振動的特征表現(xiàn)為流體繞流鈍體時(shí)，在鈍體的后方會產(chǎn)生周期性的尾渦，并且鈍體也會產(chǎn)生周期性振動[63].在渦激振動能量俘獲方面，Zeng 等[64]設(shè)計(jì)的一種渦激振動摩擦納米發(fā)電機(jī)，如圖7(a)所示.該摩擦納米發(fā)電機(jī)由旋轉(zhuǎn)接觸分離式摩擦納米發(fā)電機(jī)組件、梯形結(jié)構(gòu)鈍體和懸臂梁組成，摩擦納米發(fā)電機(jī)組件封裝在梯形的鈍體中，鈍體則安裝在懸臂梁上.風(fēng)速為7.8 m/s 時(shí)，使用該樣機(jī)對22 μF 的電容器充電到2 V 電壓用時(shí)為43 s.風(fēng)速為2.9 m/s 時(shí)可點(diǎn)亮超過200 個(gè)LED 燈.Ren 等[65]設(shè)計(jì)了一種基于渦激彈性扭轉(zhuǎn)與馳振耦合的摩擦納米發(fā)電機(jī)，如圖7(b)所示.兩個(gè)弧形框架與負(fù)摩擦層相連，超拉伸彈性電極夾在兩個(gè)框架之間.在電極膜上引入穿孔來增強(qiáng)氣動彈性效應(yīng)，優(yōu)化了該摩擦納米發(fā)電機(jī)的能量俘獲效率，振動頻率和振幅提高了20%.風(fēng)速為2.5 m/s時(shí)優(yōu)化后的開路電壓和短路電流均增加了約25%.馳振是一種典型氣動不穩(wěn)定引起的自激振動現(xiàn)象，具有頻率低和振幅高的特性[66].進(jìn)行馳振能量俘獲時(shí)需要考慮自激振動引起的系統(tǒng)不穩(wěn)定，Wang 等[67]設(shè)計(jì)一種壓電-摩擦電耦合的馳振風(fēng)能俘獲結(jié)構(gòu)(synergetic hybrid piezoelectric-triboelectric wind energy harvester，SHPTWEH)，如圖7(c)所示.通過在懸臂梁兩邊設(shè)置邊界提升結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及提高了結(jié)構(gòu)的有效風(fēng)速帶寬.風(fēng)速為14 m/s 下的SHPTWEH總平均輸出功率為0.24 mW.顫振是高速流場中的二維平面失穩(wěn)現(xiàn)象，也是一種典型的發(fā)散性極限環(huán)振動[68].摩擦納米發(fā)電機(jī)在顫振能量俘獲中應(yīng)用較多，主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有旗幟型摩擦納米發(fā)電機(jī)[69-70]、薄膜型摩擦納米發(fā)電機(jī)[71-72]、條帶型摩擦納米發(fā)電機(jī)[73]等.在顫振能量俘獲方面，楊恩等[74]研究了薄膜拍打型摩擦納米發(fā)電機(jī)的風(fēng)能俘獲效率，摩擦納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖7(d)所示.結(jié)果表明提高風(fēng)速可增加薄膜的拍打頻率，并提高短路電流.風(fēng)速為4.7 m/s 時(shí)雙薄膜摩擦納米發(fā)電機(jī)的開路電壓達(dá)到73V，是同等長度單薄膜開路電壓的1.4 倍.風(fēng)速10.6 m/s，負(fù)載電阻的阻值為50 MΩ 時(shí)功率最大約為168 μW.

圖7 流致振動能俘獲Fig.7 The flow-induced vibration energy collection

表1 總結(jié)了當(dāng)前FEH-TENG 在氣流動能(包括風(fēng)能和流致振動能) 俘獲的研究成果.在風(fēng)能俘獲中，F(xiàn)EH-TENG 的基本設(shè)計(jì)思路為使用機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)直接或間接地將風(fēng)力轉(zhuǎn)化為摩擦電材料間的運(yùn)動(包括接觸分離和相對滑動).值得注意的是，固-固接觸式摩擦納米發(fā)電機(jī)中，材料滑動造成磨損是不可忽視的問題[76].因此，延長摩擦電材料的耐久性并保持高輸出性能是設(shè)計(jì)FEH-TENG 的重點(diǎn).在流致振動能量俘獲中，應(yīng)考慮擴(kuò)大FEH-TENG 的風(fēng)速范圍及保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性.

表1 FEH-TENG 氣流動能俘獲研究總結(jié)Table 1 Research summary of air-flow energy collection by FEH-TENG

3 基于液體的能量俘獲

3.1 波浪能俘獲

波浪能是一種在世界范圍內(nèi)廣泛分布的可再生能源.波浪能摩擦納米發(fā)電機(jī)通常包括固-固接觸式摩擦納米發(fā)電機(jī)，其設(shè)計(jì)是將摩擦電材料置于封閉結(jié)構(gòu)中，以一定的機(jī)械傳動形式將液體動能轉(zhuǎn)化為摩擦電材料間的接觸分離或相互滑動，通過對內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化來提升能量俘獲效率；固-液接觸模式波浪能俘獲中，通過液體與摩擦電材料動態(tài)接觸驅(qū)動電荷在電極之間轉(zhuǎn)移，對結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行優(yōu)化來提升能量俘獲效率[77-79].浮球式摩擦納米發(fā)電機(jī)是一種常用波浪能俘獲結(jié)構(gòu)，對內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化以提升能量俘獲效率是研究的重點(diǎn).Tao 等[80]設(shè)計(jì)了一種折紙式波浪能摩擦納米發(fā)電機(jī)，通過增加接觸面積來提升發(fā)電效率，結(jié)構(gòu)如圖8(a)所示.兩種金屬條均由50 μm/25 μm/50 μm 厚的銅/LCP (liquid crystal polymer)/銅復(fù)合成的類似三明治結(jié)構(gòu).六個(gè)折紙式摩擦納米發(fā)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)全方向波浪能量俘獲，波激勵(lì)載荷為2 Hz，負(fù)載為60 MΩ 時(shí)的最佳輸出功率為55.4 μW.Liang 等[81]設(shè)計(jì)一種特殊浮球式能量俘獲器，球內(nèi)由6 個(gè)折疊式的多層摩擦納米發(fā)電機(jī)組成，如圖8(b)所示.水波激勵(lì)頻率為1 Hz 時(shí)該能量俘獲器最大輸出電流和電壓分別為200 μA 和250 V，外負(fù)載1 MΩ 時(shí)最大輸出功率4.81 W/m3.在全方向波浪能俘獲方面，Zhang 等[82]設(shè)計(jì)的管狀摩擦納米發(fā)電機(jī)，通過液面的上升和下降控制電介質(zhì)材料的滑動接觸，靈敏度達(dá)到2530 mV/mm，為實(shí)現(xiàn)海浪信息 (波高、波周期、波頻率、波速、波長和波陡) 的監(jiān)測提供了支持.

降低水波能量俘獲的起始頻率對擴(kuò)大FEHTENG 的應(yīng)用范圍至關(guān)重要.Wu 等[83]設(shè)計(jì)了蹺蹺板型低頻波浪能摩擦納米發(fā)電機(jī)，在0.8 Hz 波激勵(lì)載荷，俯仰角為27°工況下最大開路電壓為760 V，短路電流為4 μA.Feng 等[84]設(shè)計(jì)了一種在圓柱殼內(nèi)擺動的低摩擦阻力摩擦電納米發(fā)電機(jī)，如圖8(c)所示.內(nèi)部轉(zhuǎn)子由軸承組件支撐并與外部定子結(jié)構(gòu)接觸，該結(jié)構(gòu)在0.033 Hz 水波作用下的峰值功率密度為231.6 mW/m3，平均功率密度為39.8 mW/m3.

3.2 水滴能俘獲

水滴在環(huán)境隨處可見，常采用固-液接觸式摩擦納米發(fā)電機(jī)俘獲水滴能，電極密封在電介質(zhì)層和基板層之間.工作模式包括接觸分離式[86]、單電極式[87]和獨(dú)立式[88].Zhong 等[85]設(shè)計(jì)了一種俘獲滴液能量的摩擦電納米發(fā)電機(jī)(liquid triboelectric nanogenerator，L-TENG)，結(jié)構(gòu)如圖8d(ii) 所示.LTENG 由環(huán)氧玻璃纖維基板、Au+Cu 格柵電極層和聚四氟乙烯(PTFE)膜三部分組成.該研究中分析了不同L-TENG 長度的能量俘獲效率.無折疊單電極板(圖8d(i))長度為0.2 m，0.4 m 和0.6 m 時(shí)的最大峰值功率密度分別為95.56 μW/m3，62.82 μW/m3和15.7 μW/m3.Zhong 等[85]還對L-TENG 進(jìn)行折疊設(shè)計(jì)以提高能量輸出密度和減小器件尺寸，如圖8d(ii)所示.0.4 m 和0.6 m 的單電極板分別折疊為兩段和三段.0.4 m 折疊后的最大峰值功率密度為69 μW/m3，0.6 m 折疊后的最大峰值功率密度為35.02 μW/m3.對于帶電液滴中的固體顆粒對輸出性能的影響，Yang 等[89]采用單電極式摩擦納米發(fā)電機(jī)研究了液滴中固體顆粒大小和質(zhì)量分?jǐn)?shù)對輸出電流的影響，指出增加液滴中顆粒的直徑和質(zhì)量分?jǐn)?shù)會造成液滴預(yù)充電荷量減小，進(jìn)而減小接觸起電的峰值輸出電流.此外，還提出了將深度學(xué)習(xí)方法與該滴液摩擦納米發(fā)電機(jī)相結(jié)合的自供電式實(shí)時(shí)泥沙人工智能監(jiān)控系統(tǒng).上述研究中設(shè)計(jì)了不同的結(jié)構(gòu)形式來優(yōu)化波浪能和液滴能的俘獲效率以及降低發(fā)電的起始頻率，然而所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)的整體輸出電流仍是處于微安級，平均輸出功率較小.因此，提升THE-TENG 的輸出性能仍是重要研究點(diǎn).

圖8 (a)-(c) 水波能和(d) 液滴能俘獲的摩擦納米發(fā)電機(jī).(a) 折紙式摩擦納米發(fā)電機(jī)及其輸出功率[79]，(b) 彈簧輔助式多層結(jié)構(gòu)球形摩擦納米發(fā)電機(jī)及其輸出特性[80]，(c)圓柱型摩擦納米發(fā)電機(jī)[84]，(d)滴液式摩擦納米發(fā)電機(jī)及其優(yōu)化設(shè)計(jì)與輸出性能[85]Fig.8 (a)-(c) The wave and (d) droplet energy collected by TENG.(a) the origami-inspired TENG and its output power[79]，(b) the spherical TENG with spring-assisted multilayered structure and its output performances[80]，(c) the cylindrical TENG[84]，and (d) the L-TENG and its optimal design scheme and output performance[85]

表2 總結(jié)了當(dāng)前FEH-TENG 在液體(包括波浪和水滴)動能俘獲的研究成果.固-固接觸式中，降低材料磨損延長摩擦納米發(fā)電機(jī)的耐久性仍是設(shè)計(jì)的核心.固-液接觸式摩擦納米發(fā)電機(jī)有助于降低材料間的機(jī)械磨損，但由此產(chǎn)生的是輸出電壓減小.此外固體結(jié)構(gòu)的安裝形式也是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)研究內(nèi)容.液-液接觸型摩擦納米發(fā)電機(jī)對可以有效降低材料間磨損，但兩種液體材料間的相互接觸和分離運(yùn)動依然是當(dāng)前設(shè)計(jì)難點(diǎn)，關(guān)于液-液接觸型摩擦納米發(fā)電機(jī)的報(bào)道較少.

表2 FEH-TENG 液體動能俘獲研究總結(jié)Table 2 Research summary of liquids energy collection by FEH-TENG

4 混合式摩擦納米發(fā)電機(jī)

為了高效地俘獲流體動能，將摩擦納米發(fā)電機(jī)與壓電、電磁和太陽能等相結(jié)合的混合能量俘獲技術(shù)受到了許多研究者的關(guān)注，研究成果包括了混合壓電摩擦納米發(fā)電機(jī)[90]、混合電磁摩擦納米發(fā)電機(jī)[91-92]和混合壓電-電磁摩擦納米發(fā)電機(jī)[93]等.表3 總結(jié)了當(dāng)前混合式FEH-TENG 能量俘獲的研究成果.可以看出，研究較多的是基于摩擦電、壓電和電磁之間的耦合能量俘獲系統(tǒng).在氣流和液體動能俘獲中，混合式FEH-TENG 的設(shè)計(jì)思路在摩擦納米發(fā)電機(jī)四種工作模式基礎(chǔ)上耦合其他能量俘獲技術(shù)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活.

表3 混合式FEH-TENG 能量俘獲研究總結(jié)Table 3 Summary of hybrid FEH-TENG energy harvesting

壓電納米發(fā)電機(jī)(piezoelectric nanogenerator，PENG)是利用壓電效應(yīng)將機(jī)械振動能轉(zhuǎn)化為電能的能量俘獲結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單且易于集成的優(yōu)點(diǎn).Jurado 等[94]設(shè)計(jì)的一種用于俘獲波浪沖擊動能的耦合壓電-摩擦電效應(yīng)的能量俘獲器，如圖9(a)所示.壓電部分位于橢球形結(jié)構(gòu)的中間，摩擦電部分為接觸分離式.與使用單個(gè)摩擦電和壓電納米發(fā)電機(jī)相比，該結(jié)構(gòu)的輸出性能分別提高了2.24 和3.21 倍.Mariello 等[95]研究使用混合壓電摩擦納米發(fā)電機(jī)俘獲水滴能量，能量俘獲器由生物相容性壓電陶瓷和軟聚合物材料制成，如圖9(b)所示.結(jié)果表明，水滴以12 Hz 的頻率垂直滴落時(shí)該俘獲器最大可產(chǎn)生1.8 V 的峰值電壓.另外，在提升風(fēng)能俘獲效率的研究上，Zhao 等[96]設(shè)計(jì)了用于風(fēng)能俘獲的混合壓電-摩擦電納米發(fā)電機(jī)(hybrid piezo/triboelectric nanogenerator，H-P/TENG).結(jié)構(gòu)主要分為風(fēng)能采集和能量轉(zhuǎn)化兩部分.H-P/TENG 由雙晶片壓電納米發(fā)電機(jī)與摩擦納米發(fā)電機(jī)構(gòu)成，如圖9(c)所示.轉(zhuǎn)速為100 r/min 時(shí)，H-P/TENG 的開路電壓為200 V，稍高與單個(gè)摩擦納米發(fā)電機(jī)的開路電壓.H-P/TENG的短路電流與PENG 的相近，為400 μA.匹配電阻為1 MΩ 時(shí)的平均輸出功率為10.88 mW.

圖9 混合式摩擦納米發(fā)電機(jī).(a) 混合壓電-摩擦納米發(fā)電機(jī)俘獲波浪沖擊能[94]，(b) 柔性混合壓電-摩擦納米發(fā)電機(jī)及不同滴液頻率時(shí)輸出特性[95]，(c) 雙晶片壓電納米發(fā)電機(jī)與摩擦納米發(fā)電機(jī)構(gòu)成的風(fēng)能俘獲器[96]，(d) 混合電磁與摩擦納米發(fā)電機(jī)水波能俘獲器[97]，(e) 混合電磁與摩擦納米發(fā)電機(jī)風(fēng)能俘獲器[98]Fig.9 The TENG with hybrid energy collection modes.(a) The collection of wave impact energy by hybrid Piezo-triboelectric nanogenerator[94]，(b) a flexible hybrid Piezo-triboelectric nanogenerator and its output characteristics with different droplet frequencies[95]，(c) a wind energy collector with bimorph-based piezoelectric and TENG[96]，(d) a water wave energy collector with EMG and TENG[97]，and (e) a wind energy collector with EMG and TENG[98]

電磁式發(fā)電機(jī)(electromagnetic generators，EMG)與摩擦納米發(fā)電機(jī)結(jié)合可以拓寬能量俘獲時(shí)的運(yùn)動頻率及提升俘獲效率.Kim 等[97]設(shè)計(jì)了電磁和摩擦電組合的水波能量俘獲結(jié)構(gòu)，如圖9(d)所示.電磁發(fā)電機(jī)在運(yùn)動頻率為1.5 Hz 時(shí)開始產(chǎn)生電能輸出，高于摩擦納米發(fā)電機(jī)的0.5 Hz.當(dāng)摩擦納米發(fā)電機(jī)單獨(dú)俘能時(shí)，在1 m/s2的加速度和100 MΩ 負(fù)載下可產(chǎn)生85 nW 的最大峰值功率.兩部分分別整流后可產(chǎn)生峰值為8 V 和17 mA 的混合輸出，優(yōu)于兩部分的單獨(dú)能量俘獲效率.Kim 等[97]還演示了在漏油檢測中的實(shí)際應(yīng)用.圖9(e)所示是基于混合電磁摩擦納米發(fā)電機(jī)的風(fēng)能俘獲器[98].在風(fēng)速為12 m/s外負(fù)載為660 Ω 時(shí)，EMG 的最大輸出功率為62 mW.相同風(fēng)速下，摩擦納米發(fā)電機(jī)在外負(fù)載為60 MΩ 時(shí)的最大輸出功率達(dá)到1.8 mW.試驗(yàn)中EMG 和摩擦納米發(fā)電機(jī)分別點(diǎn)亮了360 和240 個(gè)LED 燈，風(fēng)能俘獲效率提升明顯.

此外，Rahman 等[93]報(bào)告了一種合并了電磁發(fā)電機(jī)、壓電發(fā)電機(jī)和摩擦納米發(fā)電機(jī)的風(fēng)能俘獲裝置，并展示了用于地鐵隧道時(shí)刻表供電的良好效果.除了與壓電效應(yīng)和電磁相結(jié)合外，研究者還研究了其他類型的復(fù)合增強(qiáng)型摩擦納米發(fā)電機(jī)用于提升流體能量俘獲效率.Roh 等[99]和Zhang 等[102]將太陽能俘獲結(jié)構(gòu)與摩擦納米發(fā)電機(jī)結(jié)合，用以提升在水波、液滴和風(fēng)能中的俘獲效率.Jiang 等[100]設(shè)計(jì)的結(jié)合了熱釋電的混合摩擦納米發(fā)電機(jī)并用于俘獲熱滴液能，滴液與室溫溫差為40 °C 時(shí)獲得2.6 μW/cm2的最大功率密度輸出.

5 摩擦電材料對能量俘獲效率的影響

自然界中的許多材料都有摩擦起電的現(xiàn)象，這些材料的電子親和能力不同，因此可以作為摩擦納米發(fā)電機(jī)的摩擦電材料[103-104].在摩擦電材料序列中選擇距離較大的兩種材料是開發(fā)高性能摩擦納米發(fā)電機(jī)的直接有效的方法[105].除了對摩擦納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化外，還可以改進(jìn)摩擦電材料的性質(zhì)以提升輸出性能.對摩擦電材料性質(zhì)的優(yōu)化可以歸納為改變摩擦電材料的表面形態(tài)和改變材料內(nèi)部性質(zhì).

表面粗糙度作為摩擦電材料性能的重要影響因素，較大的表面粗糙度可以增加摩擦電材料之間的接觸面積而產(chǎn)生更多的摩擦電荷.Nafari 和Sodano[106]研究了摩擦電材料的微/納米尺度表面改性效應(yīng)，對聚二甲基硅氧烷 (polydimethylsiloxane，PDMS) 和金的表面進(jìn)行微/納米級表面修飾增加表面粗糙度，經(jīng)修飾后的功率輸出是修飾前的兩倍.然而在固-液接觸界面[107]的摩擦納米發(fā)電機(jī)中，增加固體材料部分的表面粗糙度造成表面疏水性增加反而會降低低頻能量俘獲的輸出性能.此外，材料表面改性還包括將表面制成納米線結(jié)構(gòu)[108]或表面陣列結(jié)構(gòu)[109]以產(chǎn)生更多的摩擦電荷.

另一方面，改變摩擦電材料內(nèi)部性質(zhì)可以提升材料的介電性能而獲得更好的電能輸出.耿魁偉等[110]研究了在聚酰亞胺(PI)膜之間嵌入MoS2Graphene/復(fù)合納米材料電子接收層時(shí)對摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出性能的影響.指出電子接收層可以提高負(fù)摩擦層的表面電子密度和促進(jìn)電荷轉(zhuǎn)移.在最佳外部負(fù)載的情況下，嵌入MoS2/Graphene 電子接收層后的摩擦納米發(fā)電機(jī) (TENG-M/G)的最大輸出功率是電子接收層為聚酰亞胺膜的摩擦納米發(fā)電機(jī) (TENGPI)的23 倍.Ye 等[111]報(bào)告了液態(tài)金屬 (鎵)對聚丙烯腈聚合物摩擦電材料的輸出性能的影響.指出在聚丙烯腈聚合物摩擦層中加入少量的液態(tài)金屬可以顯著提高摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出性能.然而液態(tài)金屬超過一定量后材料的導(dǎo)電性能增強(qiáng)和接觸起電區(qū)域減小反而導(dǎo)致輸出性能急劇降低.Wang 等[112]制作了基于聚乙烯亞胺(PEI)和聚乙烯醇(PVA)的正極摩擦電材料，并在材料中引入金納米顆粒提升復(fù)合材料的介電性能.設(shè)計(jì)的摩擦納米發(fā)電機(jī)的開路電壓為161.1 V，短路電流密度為20 mA/m2，峰值功率密度達(dá)到17.3 W/m2.此外，在固-液接觸摩擦納米發(fā)電機(jī)中的液體性質(zhì)對輸出性能也有影響.Nie 等[113]的水溶液與聚四氟乙烯(PTFE)的接觸起電機(jī)理研究結(jié)果表明，水溶液中少量增加離子濃度可以促進(jìn)電荷轉(zhuǎn)移.然而隨著離子濃度增加，離子聚積在固液界面上產(chǎn)生的屏蔽效應(yīng)反而使電子轉(zhuǎn)移減少.上述研究聚焦在摩擦電材料的表面形態(tài)和內(nèi)部性質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化來提升輸出性能，為開發(fā)高性能的FEH-TENG提供了指導(dǎo).

6 FEH-TENG 的應(yīng)用

FEH-TENG 作為一種新型的環(huán)境能量俘獲技術(shù)，其結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、可選材料豐富且成本低，受到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注并取得了豐富的研究成果.所報(bào)道的FEH-TENG 包括了在小型電源、環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學(xué)和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中的應(yīng)用研究.

小型電源是FEH-TENG 的一個(gè)重要應(yīng)用方向.研究人員將FEH-TENG 與電能存儲單元結(jié)合設(shè)計(jì)為自充電單元并為小型電子設(shè)備提供電能[26，114].在設(shè)備健康防護(hù)中，利用FEH-TENG 可構(gòu)建全天候的自供電型陰極保護(hù)系統(tǒng).Sun 和Seok[115]設(shè)計(jì)了基于FEH-TENG 的自供電陰極保護(hù)電源，所建立的摩擦納米發(fā)電機(jī)在相對濕度為95%負(fù)載為20 MΩ 下的最大輸出功率為1.74 mW.被保護(hù)金屬 (A3 鋼) 與該電源連接后的表面開路電位壓降達(dá)到了590 mV，減緩了被連接金屬的電化學(xué)腐蝕.在大規(guī)模組網(wǎng)的能量俘獲應(yīng)用研究上，Liu 等[33]基于球形摩擦納米發(fā)電機(jī)研究了波浪能量俘獲的大規(guī)模發(fā)電網(wǎng)絡(luò) (如圖10(a)所示)，提出了不同形式的摩擦納米發(fā)電機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，研究了電纜電阻和各單元輸出相位不同步對網(wǎng)絡(luò)輸出的影響.研究結(jié)果表明，在水波頻率為1.25 Hz，水深為5 m 水域，該摩擦納米發(fā)電機(jī)網(wǎng)絡(luò)覆蓋1 km2可以輸出的最大平均功率為14.22 kW.

分析FEH-TENG 的環(huán)境機(jī)械能輸入與電能輸出之間的關(guān)系，研究人員設(shè)計(jì)了各種自供電傳感器并用于環(huán)境中的壓力、速度和溫度等信息監(jiān)測[116-118].Xu 等[119]基于單電極模式設(shè)計(jì)了用于風(fēng)沙環(huán)境下的自供電風(fēng)沙傳輸速率傳感器，為荒漠地區(qū)的風(fēng)沙濃度監(jiān)測和流動能俘獲提供了簡便的方法.Hu 等[120]設(shè)計(jì)基于固-液接觸式摩擦納米發(fā)電機(jī)的自供電滴液傳感器，利用材料表面的疏水特性展示了該傳感器在醫(yī)學(xué)排液瓶和智能靜脈注射監(jiān)護(hù)中的應(yīng)用 (如圖10(b)所示)，擴(kuò)展了摩擦納米發(fā)電機(jī)的應(yīng)用場景.

圖10 (a) 球形摩擦納米發(fā)電機(jī)工作原理及其大規(guī)模發(fā)電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[33].(b)自供電式滴液傳感器在(i-ii)智能靜脈注射監(jiān)護(hù)和(iii-iv)排液瓶的應(yīng)用[120].(c) (i)水流動能和(ii)風(fēng)能俘獲的摩擦納米發(fā)電機(jī)及在智能農(nóng)業(yè)中應(yīng)用;(iii)自供電土壤水分監(jiān)測系統(tǒng);(iv)為土壤濕度傳感器供電;(v)水位警戒[121]Fig.10 (a) Working mechanism of spherical TENG and its large-scale power generation network[33].(b) Application of self-powered droplet Sensor in(i-ii) smart intravenous injection monitor and (iii-iv) drainage bottle[120].(c) The TENGs that collect (i) water flow energy and (ii) wind energy and their application in smart agriculture;(iii) self-powered soil moisture monitoring system;(iv) power the soil moisture sensor;(v) water level alarm[121]

圖10 (a) 球形摩擦納米發(fā)電機(jī)工作原理及其大規(guī)模發(fā)電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[33].(b)自供電式滴液傳感器在(i-ii)智能靜脈注射監(jiān)護(hù)和(iii-iv)排液瓶的應(yīng)用[120].(c) (i)水流動能和(ii)風(fēng)能俘獲的摩擦納米發(fā)電機(jī)及在智能農(nóng)業(yè)中應(yīng)用;(iii)自供電土壤水分監(jiān)測系統(tǒng);(iv)為土壤濕度傳感器供電;(v)水位警戒[121] (續(xù))Fig.10 (a) Working mechanism of spherical TENG and its large-scale power generation network[33].(b) Application of self-powered droplet Sensor in(i-ii) smart intravenous injection monitor and (iii-iv) drainage bottle[120].(c) The TENGs that collect (i) water flow energy and (ii) wind energy and their application in smart agriculture;(iii) self-powered soil moisture monitoring system;(iv) power the soil moisture sensor;(v) water level alarm[121](continued)

通過FEH-TENG 從周圍環(huán)境中俘獲能量，為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了能量解決方案.Chen 等[121]設(shè)計(jì)了毛刷摩擦電納米發(fā)電機(jī)并用于俘獲風(fēng)能和水流動能，此為基礎(chǔ)構(gòu)建了自供電的自動灌溉、天氣監(jiān)測和無線預(yù)警系統(tǒng)，展示了摩擦納米發(fā)電機(jī)在智能農(nóng)業(yè)場景中的潛在應(yīng)用，如圖10(c) 所示.Liu 等[122]利用混合電磁摩擦納米發(fā)電機(jī)、太陽能電池板和藍(lán)牙傳感器模塊建立了全天候物聯(lián)網(wǎng)平臺，并將檢測到的環(huán)境信息發(fā)送到用戶端.

7 總結(jié)和展望

摩擦納米發(fā)電機(jī)自發(fā)明以來，受到了研究者們的極大關(guān)注，在藍(lán)色能源俘獲方面取得了極大的發(fā)展.本文綜述了以摩擦納米發(fā)電機(jī)為基礎(chǔ)的流體 (氣體和液體) 能量俘獲研究進(jìn)展.首先綜述了摩擦納米發(fā)電機(jī)的理論基礎(chǔ)和基本工作模式.介紹了摩擦納米發(fā)電機(jī)在自然流體能量俘獲 (風(fēng)能、流致振動能、水波能和液滴能) 中的研究及應(yīng)用.摩擦納米發(fā)電機(jī)與現(xiàn)有的能量俘獲技術(shù) (壓電技術(shù)、電磁技術(shù)等) 相結(jié)合亦可設(shè)計(jì)為混合能量俘獲系統(tǒng).最后綜述了摩擦電材料方面優(yōu)化摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出性能方面的研究成果.

盡管近幾年摩擦納米發(fā)電機(jī)在流體能量俘獲上有了很大研究進(jìn)展，但仍需要注意到現(xiàn)在摩擦納米發(fā)電機(jī)存在一些的不足.

(1) 能量俘獲效率問題.在提升FEH-TENG 流體能量俘獲效率研究上，設(shè)計(jì)高效的摩擦納米發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)、混合能量俘獲系統(tǒng)仍是未來的研究方向.此外，材料表面電荷密度也是影響俘獲效率的重要因素.目前，雖然在FEH-TENG 流體能量俘獲有了一定研究基礎(chǔ)，但是單個(gè)摩擦納米發(fā)電機(jī)的能量俘獲效率還是較低，一些較大功率電子設(shè)備的供電仍然受到限制.

(2) 輸出穩(wěn)定性問題.摩擦納米發(fā)電機(jī)的一個(gè)主要應(yīng)用方向是為各類戶外傳感器，電子設(shè)備等提供電能.與實(shí)驗(yàn)室條件相比，在戶外摩擦納米發(fā)電機(jī)多為不穩(wěn)定的隨機(jī)機(jī)械能輸入，產(chǎn)生輸出無法驅(qū)動電子模塊正常工作，因此輸出穩(wěn)定性是不容忽視的問題.

(3) 耐久性問題.利用FEH-TENG 俘獲流體能量，摩擦電材料間的機(jī)械磨損是影響結(jié)構(gòu)耐久性的一個(gè)重要原因，制約著摩擦納米發(fā)電機(jī)的實(shí)際工程應(yīng)用.

(4) 大規(guī)模商用問題.當(dāng)前研究的THE-TENG流體能量俘獲設(shè)備及各類自供電傳感器多處于實(shí)驗(yàn)室演示階段，大規(guī)模應(yīng)用尚處于理論探索階段，距離大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用還有較長距離.

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，后續(xù)的研究可從以下幾點(diǎn)采取措施：

(1) 探索更高效的能量俘獲方式.研究復(fù)雜激勵(lì)下的自適應(yīng)高效能量俘獲結(jié)構(gòu)，提升輸出效率和穩(wěn)定性.深入研究與其他能量俘獲技術(shù)相結(jié)合的混合能量俘獲技術(shù)，增大發(fā)電功率和不同激勵(lì)源的適應(yīng)性;

(2) 探索和改進(jìn)摩擦電材料.探索和提升摩擦電材料的耐磨損性能，提升摩擦納米發(fā)電機(jī)的可靠性.開發(fā)新的尚未包含在文獻(xiàn)中的新摩擦電材料，提高兩種摩擦電材料的距離.研究表面電荷提升技術(shù)，設(shè)計(jì)材料的表面形貌及內(nèi)部特性、電子接收層和輔助外電路等提高電荷密度，對于高電荷密度空氣擊穿問題也需要重點(diǎn)研究應(yīng)對策略;

(3) 探索摩擦納米發(fā)電機(jī)長期工作穩(wěn)定性.基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的傳感器在惡劣環(huán)境中的抗腐蝕，材料耐磨損，耐熱性等也是重點(diǎn)研究的內(nèi)容.研究液-液接觸型摩擦納米發(fā)電機(jī)，擴(kuò)大其應(yīng)用場景.