DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2022.12.122

水波是切实可行的低碳、可再生能源，可与摩擦电纳米发电（TENG）结合使用。在此，本研究合成了一种基于通道网格组装绿色皱纹纸摩擦层（W-TENG）的TENG装置（G-TENG），其能够实现接触-分离模式，其中包括与水波同步滚动的金属球。通过使用相对于干燥滚筒的特定角度的皱纹刀片以及速度和扭矩来调整纸张的起皱波长和振幅。将极性分层超疏水纤维素微/纳米结构作为具有增强接触面积和摩擦电密度的正摩擦层。通过电纺丝聚乙烯醇和聚环氧乙烷的水悬浮液，用纤维素纳米纤维进行增强，制备了负（可生物降解）摩擦层。在空气中W-TENG的电荷转移达到40nC，在85 %相对湿度下保持在27nC，比平面TENG对应物的测量值高出约5倍和7倍。当电容器的电压升至约1.5V时，测得的G-TENG阵列的充电时间（100μF电容器）约为188 s。总体而言，本研究介绍了一种新型可扩展的TENG系统，其采集蓝色能量的能力显著。

图1.皱纹纸基摩擦电纳米发电机（W-TENG）和摩擦电纳米发电机网格（G-TENG）的设计。（a）产生摩擦层的纸张起皱过程示意图，W-CMF。（b）不同褶皱程度下的相对接触面积。（c）不同数密度的-NHx的表面电位。（d）W-TENG在不同褶皱程度下的示意图。（e-i）具有三个单元的G-TENG阵列的示意图和（e-ii）照片。（f-i）PEI-S-CNF-W-CMF W-TENG装置的示意图。（f-ii）聚乙烯醇-纤维素纳米纤维-聚环氧乙烷（PVA-CNF-PEO）产生的纤维网，以及（f-iii）PEI-S-CNF-W-CMF纸的扫描电子显微镜（SEM）图像。

图2.PEI-S-CNF-W-CMF的形成机理和表征。（a）不同褶皱波长的W-CMF的横截面SEM形貌：4.6、3.3、2.7、1.7和1.4mm。（b）PEI-S-CNF-W-CMF微/纳米结构的制备过程示意图。（c）W-CMF和PEI-S-CNF-W-CMF的SEM形貌。

图3.W-TENG单元的工作机制。（a）W-TENG不同工作状态下电势分布的数值计算。（b）接触-分离模式的W-TENG的静电感应过程。（c）W-TENG在一个接触和分离循环下的电流输出。

图4.W-TENG单元的能量应用和防潮性。（a）摩擦电荷密度与表面粗糙度之间关系的示意图。（b）输出性能的影响机制。（c-i）具有不同褶皱程度（范围为1.4至4.6mm）的W-CMF的输出电压、（c-ii）转移电荷和（c-iii）电流。（d）基于PEI-S-CNF-W-CMF且具有不同量-NHx的W-TENG的转移电荷。（e）W-TENG的输出电压和功率与外部负载电阻之间的关系。（f）用W-TENG充电的各种电容器的电压。（g）疏水能力和疏水稳定性。（h）超疏水系统示意图。（i）转移电荷对相对湿度的依赖性。

图5.G-TENG阵列在水波能量采集中的应用。（a）用于收集水波能量的G-TENG阵列示意图。（b）G-TENG阵列的整流器电路示意图。（c）具有1至3个不同单元数的G-TENG阵列在1Hz下的输出电流。（d）具有三个单元的G-TENG阵列在0.5至2.5Hz不同频率下的输出电流。（e）在2Hz下，具有三个单元的G-TENG阵列对不同电容器进行充电的电压。（f）温度计供电电路示意图。（g）由G-TENG阵列供电的水温测量的照片。（h）100-µF电容器为温度计供电的充放电过程。（i）未来G-TENG阵列用于大规模海洋能源收集的画面。