基于水集成浮式液滴发电机的自然材料赋能高效水能收集技术

为解决传统液滴发电机(DEG)材料成本高、重量大及陆地应用受限等问题，南京航空航天大学团队创新性地开发了一种水集成浮式液滴发电机(W-DEG)。该研究通过利用水的导电性和结构支撑功能，构建了电极-介电-水三明治结构，实现了与金属电极相当的250V高压输出，同时减少87%材料重量和50%成本。研究揭示了水的不可压缩性和高表面张力对维持介电层稳定性的关键作用，并通过表面张力调控实现了单向排水。这项发表于《National Science Review》的工作为水电转换器件设计提供了新范式，推动了无陆地大规模应用。

　　

在全球能源转型背景下，如何高效收集自然界中广泛存在的水动能成为重要课题。传统液滴发电机(Droplet-based electricity generator, DEG)虽能通过接触起电(contact electrification)和静电感应(electrostatic induction)原理转换雨滴动能，但其金属电极和刚性基板结构导致材料成本高、重量大，且难以在水域环境应用。这些限制严重制约了DEG的大规模部署，特别是在海洋、湖泊等开阔水域场景。

针对这一挑战，南京航空航天大学机械结构力学与控制国家重点实验室的研究团队独辟蹊径，提出"自然集成"设计理念，开发出革命性的水集成浮式液滴发电机(water-integrated floating DEG, W-DEG)。这项发表于《National Science Review》的研究突破性地利用水本身兼具电极和基板双重功能，构建出电极-介电-水三层架构，在保持高压输出的同时大幅降低材料需求。

研究团队采用多学科交叉方法开展系统研究：通过高速摄影记录液滴撞击动力学过程，结合电化学阻抗谱分析水体导电特性；设计临界孔径模型指导单向排水孔优化；构建包含120个滴管的模拟降雨平台测试集成器件性能；采用商用电路管理系统实现脉冲能量收集。特别选取氟化乙烯丙烯(FEP)作为介电层材料，其106°±2°接触角特性为表面张力调控提供基础。

机械性能验证实验表明，水基板支撑的介电层在液滴撞击时最大铺展面积达2.8 cm²，与刚性基板相当。这归因于水的不可压缩性(incompressibility)使其在毫秒时间尺度表现出类刚性特征。电学测试显示，自来水在20 kHz特征频率下阻抗低于3 kΩ，完全满足高压输出要求。W-DEG成功实现250V峰值电压输出，与铜电极传统DEG性能相当，印证了水电极的高频导电特性。

材料经济性分析显示，W-DEG材料成本仅106元/m²，为传统DEG的50%；重量更降至0.5 kg/m²，降幅达87%。环境适应性测试证实，W-DEG在10-50°C温度范围和1-500 mM NaCl浓度下输出稳定，在模拟波浪(50 rpm)和真实湖水环境中连续工作一周未见性能衰减。这种稳定性源于FEP材料的化学惰性和微生物不敏感性。

研究团队创新性地利用水的高表面张力(72 mN/m)实现单向输水。通过建立d=-4γcosθ_m/ρgH临界孔径模型，确定3 mm矩形排水孔可阻止水向上渗透，同时允许液滴向下排出。这种自调节排水机制有效避免了水积累导致的寄生电容增加和铺展面积减小问题。

为验证规模化潜力，团队成功构建0.3 m²集成器件，包含10个W-DEG单元。测试表明该器件可在6分钟内将1 mF电容器充电至1.5V，并能持续点亮50个LED。这种模块化设计为实际应用提供了可行路径。

这项研究开创性地证明了自然材料在能源器件中的集成应用价值。W-DEG不仅解决了传统DEG的材料瓶颈，更开辟了无陆地应用新场景。其设计理念可拓展至其他水电转换器件，对开发新型蓝色能源技术具有重要启示。未来通过优化介电材料表面电荷密度和电路匹配，有望进一步提升能量转换效率，推动水电收集技术走向实际应用。