中科院兰州化物所AM：喷雾式摩擦纳米发电机问世，输出超越传统两个数量级

随着全球经济的快速发展，能源短缺问题日益严峻，推动可再生能源和清洁能源的探索成为当务之急。水，作为覆盖地球表面71%的丰富资源，蕴含着大量以雨滴、河流、海洋波浪等形式存在的可再生清洁能源。然而，这些能源分布广泛且不规则，传统的电磁发电技术难以有效捕获和利用。在此背景下，王中林教授团队于2012年提出的摩擦纳米发电机技术，凭借接触起电与静电感应耦合机制，为收集高熵机械能提供了全新思路。在固-液摩擦纳米发电机领域，尽管近年来取得了显著进展，但固-液界面接触分离速度低、接触面积小等固有问题，始终制约着其输出性能——电流输出尚未实现数量级的突破，且受限于天然液滴速率（1-10滴/秒），电能输出呈现间歇性脉冲特征，难以支撑高频能量供给场景。如何在提升电流幅值的同时实现高频稳定输出，成为该领域亟待攻克的核心难题。

针对上述挑战，中国科学院兰州化学物理研究所王道爱研究员和华中科技大学卢文龙教授合作，创新性地设计了一种基于喷雾效应的摩擦纳米发电机。该装置引入专用火花放电装置，实现主动电荷积累与受控释放，将传统被动随机击穿转变为主动周期性火花放电模式，从而获得665毫安的瞬时短路电流和900伏的开路电压，工作频率稳定在122赫兹。这一突破使电流幅值和频率均比典型固-液摩擦纳米发电机提升超过两个数量级。基于如此高功率输出，该装置可直接点亮110瓦白炽灯或同时驱动4000颗商用发光二极管。配合电源管理电路后，还可实现电解水制氢，法拉第效率达55.8%。这项研究不仅将固-液摩擦纳米发电机的电流输出推入毫安级别，更通过结构解耦与主动放电调控策略，为提升摩擦纳米发电机功率密度开辟了新路径。相关论文以“Spray-Based Triboelectric Nanogenerator With Ultra-High Current for Hydrogen Generation”为题，发表在Advanced Materials上。

装置设计与性能突破

研究团队设计的喷雾式摩擦纳米发电机系统由三个核心部件构成：喷雾发生单元、火花放电装置和电荷收集模块（图1a）。喷雾发生单元采用两根垂直交叉的聚四氟乙烯管——水平大直径管作为水喷雾管，垂直小直径管作为进水管，两者形成T型接口。高压气流将液体雾化为无数微小液滴，液滴在气流推动下沿管壁运动，在此过程中液滴与聚四氟乙烯管壁界面发生接触起电，液滴携带正电荷，负电荷则积累在管壁上。正电荷通过铜网导电路径引向火花放电装置正极，管壁负电荷则转移至负极，随着正负电荷在电极上不断积累，最终触发火花放电效应，产生周期性稳定击穿电流。

为量化火花放电装置的独特贡献，研究团队在完全相同条件下对比了有无该装置的输出性能。如图1b和1d所示，喷雾式摩擦纳米发电机实现了665毫安的瞬时短路电流峰值和900伏的开路电压峰值，而对照装置几乎无有效输出（放大插图中仅见噪声级波动）。对0.2秒窗口内电流数据进行电荷积分分析（图1c）显示，该装置产生32.8微库仑的累计电荷，比对照装置的0.054微库仑高出700倍以上。在输出频率方面，该装置达到122赫兹，是高性能重力驱动液滴摩擦纳米发电机的10倍（图1e）。通过与其他三种传统固-液摩擦纳米发电机配置（液滴式、波浪式和两相流式）的直接对比（图1f），该装置在电流峰值和工作频率两项关键参数上均遥遥领先，这种协同领先效应源于其独特的固-液接触模式和外电路设计。

图1喷雾式摩擦纳米发电机的设计与性能。（a）喷雾式摩擦纳米发电机结构示意图。（b）喷雾式摩擦纳米发电机（红色）的电流输出显著高于对照装置（蓝色）。（c）喷雾式摩擦纳米发电机（红色）产生的电荷量比对照装置（蓝色）高出一个数量级。（d）喷雾式摩擦纳米发电机（红色）与液滴式摩擦纳米发电机（蓝色）的电压输出对比。（e）喷雾式摩擦纳米发电机具有极高的电流输出频率（122赫兹），是液滴式摩擦纳米发电机（12赫兹）的10倍。（f）与以往固-液摩擦纳米发电机研究工作（液滴式、波浪式和两相流式）相比，喷雾式摩擦纳米发电机在电流峰值和频率两方面均展现出巨大优势。

高频特性与参数优化

该装置凭借喷雾式气液协同设计，通过持续雾化液滴与管壁间的动态接触起电，建立了高频电荷产生机制。高速摄像与瞬态电流监测的联合实验表明，放电事件与电流脉冲呈严格的一一对应关系：无放电则无电流，每次放电同步产生大电流脉冲（图2b）。对比火花放电装置正极接铜网与接地的输出差异（图2c、2d）显示，接铜网可使铜网成为高效正电荷收集器，增大极间电势差，从而同时提升电学性能和输出频率。

图2喷雾式摩擦纳米发电机的高频特性及火花放电装置对输出频率的影响。（a）探究电极距离和气流速度对喷雾式摩擦纳米发电机输出影响的实验装置。（b）火花放电事件与电流响应的对应关系。（c）集成铜网与未集成铜网的喷雾式摩擦纳米发电机电流输出和（d）电压输出对比。（e）不同电极距离下喷雾式摩擦纳米发电机的电流输出和（f）电压输出。（g）不同电极距离下喷雾式摩擦纳米发电机的电流频率和累计电荷。

研究团队系统考察了电极间距对输出性能的影响。实验数据（图2e、2f）表明，增大电极间距可提高电流和电压输出，但会降低输出频率，这一现象符合帕邢定律。在0.5毫米电极间距条件下，装置实现最佳性能：0.2秒内累计电荷达34.82微库仑，输出频率118赫兹（图2g），因此确定0.5毫米为最优电极间距。气流压力方面，研究团队在0.2至1兆帕五个梯度压力下进行系统测试，高速摄影捕捉了不同压力下液滴沿管内壁的运动状态（图3a）。结果显示，提高输入气压至1兆帕可全面提升电学输出：电流和电压分别升至660毫安和670伏，累计电荷和频率分别达33.5微库仑和119赫兹（图3b-3d）。此外，进水管在喷雾管中的物理位置变化以及聚四氟乙烯管长度（图3e-3g）均会影响固-液有效接触面积和电荷产生量，输出电流和累计电荷在管长达到80毫米后趋于稳定。在100分钟连续运行测试中（图3h），装置电流幅值和放电频率波动极小，展现出优异的长期稳定性。梯度负载特性测试（图3i）表明，装置在3300欧姆匹配负载下输出最大真实平均功率12.1毫瓦，这一高稳定功率输出使4000颗商用发光二极管实现了几乎无频闪的照明（图3j）。

图3外部因素对喷雾式摩擦纳米发电机输出性能的影响。（a）高速摄影捕获的不同压力气流下喷雾管中液体与管壁的接触状态。（b）不同气流压力下喷雾式摩擦纳米发电机的电流输出和（c）电压输出。（d）不同气流压力下喷雾式摩擦纳米发电机的电流频率和累计电荷。（e）不同聚四氟乙烯管长度下喷雾式摩擦纳米发电机的电流输出和（f）电压输出。（g）不同聚四氟乙烯管长度下喷雾式摩擦纳米发电机的电流频率和累计电荷。（h）喷雾式摩擦纳米发电机可长期稳定运行。（i）喷雾式摩擦纳米发电机在不同负载下的均方根电流和均方根功率值。（j）喷雾式摩擦纳米发电机可点亮4000颗发光二极管且几乎无频闪。

工作机理揭示

为分析装置运行过程中的电荷分布与迁移特性，研究团队利用表面电位计对五个关键位点进行了原位电位监测。实验表明，喷雾启动后，聚四氟乙烯管壁通过液-固接触起电积累高密度负电荷，与管壁相连的负极（进水端）同步呈现负电位，而与铜网相连的正极则对应呈现正电位。基于此，该装置的工作机理可归纳为两个连续循环的阶段。

第一阶段为表面电荷的产生与积累（图4a、4b）。高速雾化液滴簇沿聚四氟乙烯管壁剪切运动，通过固-液接触起电在液滴上产生正电荷，在聚四氟乙烯表面产生等量负电荷。此时火花放电装置电极上电荷积累较少，极间电势差低于空气击穿阈值，系统处于静电平衡状态，不形成导通回路（对应图4e中a、b段信号）。

第二阶段为电荷转移与火花放电（图4c、4d）。随着接触起电持续进行，液滴通过铜网将大量正电荷转移至火花放电装置正极，打破系统静电平衡。聚四氟乙烯管壁积累的负电荷迁移至喷嘴出口，形成“液水-管壁-空气”三相接触线。当该处局部电场达到空气击穿阈值时，表面界面放电发生，负电荷通过低阻抗等离子体通道瞬间转移至进水管金属导线，继而流向火花放电装置负极。当火花放电装置两电极间电场强度超过空气击穿阈值时，加速的自由电子持续触发碰撞电离，引发电子雪崩效应，气体介质迅速电离形成等离子体通道，电路电阻降至近零，储存的静电能以瞬态脉冲电流形式释放，完成一次放电循环（对应图4e中c、d段信号）。

实现高频大电流输出的核心机制在于独特的解耦结构设计：喷雾单元通过高速气流雾化液体并驱动液滴沿管壁剪切运动，持续刷新固-液界面以产生丰富摩擦电荷；火花放电装置则凭借微间隙设计高效分离并积累电荷以建立高电势差，随后主动触发与电荷补给速率同步的周期性火花放电，实现持续毫安级脉冲电流输出。

图4喷雾式摩擦纳米发电机工作原理示意图。阶段一：表面电荷的产生与积累：（a）固-液界面起电示意图。（b）电荷积累过程中，火花放电装置系统处于静电平衡状态。阶段二：电荷转移与火花放电：（c）管壁负电荷通过击穿放电转移至导线。（d）火花放电装置两电极间发生电子雪崩，空气被电离并导通。（e）喷雾式摩擦纳米发电机一个产生周期内的电流信号示意图。

应用示范与能源转化

凭借超高的输出性能，该装置可直接驱动简单电路配置。如图5a所示的基本电路图中，喷雾式摩擦纳米发电机成功点亮了两盏总功率110瓦的串联白炽灯（图5c），照明系统保持连续亮度，无任何可感知的频闪或中断。

为进一步优化电能存储和利用效率，研究团队开发了包含变压器、整流器和电容器的电源管理系统。在1兆帕气流驱动下，系统在初级3800匝、次级240匝变压器与1毫法电容组合下达到峰值充电效率。得益于超高的电流特性，系统支持毫法级电容的快速充电——可在40秒内将2.2毫法电容稳定充电至2伏阈值。在实际性能验证中，研究团队首先以数字湿度计为负载进行供电测试（图5h）。实时示波器监测显示，喷雾式摩擦纳米发电机在40秒内即将储能电容充至2.3伏阈值（图5g），湿度计在启动控制开关后立即开始工作并显示环境参数，且在外部气流切断后，电容残余能量仍可维持湿度计继续工作60秒。

为展示超高输出性能的深度应用，研究团队系统评估了其电解水制氢能力。他们构建了铂基碱性电解系统（图5d），使用1摩尔/升氢氧化钠溶液为电解质，铂片为双电极，封装在石英比色皿中形成微电解池。该装置配合电源管理系统将2.2毫法电容充至约6伏后放电供电解水，铂电极处产生大量气泡。三个完整电解周期的分析（图5e）显示，单周期时长介于220秒至260秒，电极电位稳定维持在5.9伏至6.2伏之间。为定量评估产氢效率，研究团队分别进行了10、20和30个电解周期的三组独立实验，气相色谱分析结果（图5f）表明，装置稳定产氢速率约为74微升/小时，连续运行2小时（30个周期）后总产量约144微升。根据法拉第效率计算公式，该装置电解水制氢的法拉第效率达55.8%。需要说明的是，该效率仅评价电解水反应本身的能量利用效率，未计入空气压缩机的输入能量。

图5喷雾式摩擦纳米发电机的能量转换/存储机制及应用。（a）喷雾式摩擦纳米发电机直接驱动外部负载的电路图。（b）喷雾式摩擦纳米发电机连接电源管理系统驱动外部负载的电路图。（c）喷雾式摩擦纳米发电机直接点亮两盏总功率110瓦的串联白炽灯。（d）利用喷雾式摩擦纳米发电机电解水制氢及铂电极上析出气体的实验示意图。（e）喷雾式摩擦纳米发电机电解水制氢过程中电容电压变化曲线。（f）喷雾式摩擦纳米发电机耦合电源管理系统的产氢速率图。（g）喷雾式摩擦纳米发电机驱动湿度计过程中电容电压变化曲线。（h）喷雾式摩擦纳米发电机为湿度计供电并成功激活湿度计的实验图像。

总结与展望

本研究通过将喷雾效应与独立火花放电装置相结合，实现了超高性能火花放电式摩擦纳米发电机的突破性设计。核心创新在于火花放电装置带来的解耦设计，将系统分为喷雾电荷产生单元和独立电荷调控单元，与依赖随机接触和不可控击穿的传统气-液摩擦纳米发电机截然不同。该装置阻断直接电荷中和路径，实现稳定电荷积累，并主动触发周期性同步火花放电以瞬时释放所有预存储电荷。这种对电荷过程的主动控制，与持续喷雾电荷供给协同作用，展现出卓越的665毫安瞬时短路电流和122赫兹稳定高频输出。该工作突破了传统固-液摩擦纳米发电机长期以来的输出频率和电流极限，为下一代高性能液体基能量收集技术奠定了坚实基础，在工业高压气流能量回收、管道状态监测和分布式自供电传感器网络等领域展现出广阔的应用前景。