基于体效应的管式气液混合摩擦纳米发电机输出性能增强研究

本文设计了一种新型管式体效应气液混合摩擦纳米发电机（TBE-GL-TENG），通过将电极引入聚四氟乙烯（PTFE）管内部，成功将体效应（bulk effect）与气液混合流动系统耦合，显著提升了摩擦纳米发电机（TENG）的瞬时输出性能。实验表明，该装置在1.0 mL自来水驱动下可产生1530 V电压、112 μA电流和0.33 μC转移电荷，分别达到传统界面效应（interfacial effect）对照组的5.3倍、9.6倍和3.0倍，瞬时功率密度高达18.67 kW m?3，可直接点亮640个LED。研究从微观模拟到宏观实验系统阐释了工作机制，为多相流系统能量收集和自供电传感提供了新思路。

　　

1 引言

随着物联网（IoT）和分布式传感技术的发展，对可持续微能源供给技术的需求日益迫切。传统的光伏、压电和热电技术难以有效捕获低频、不规则分布的机械能。基于接触起电和静电感应耦合效应的摩擦纳米发电机（TENG）为解决这一问题提供了新思路。其中，气液两相流基TENG（GL-TENG）能够将复杂流体的动能转化为电能，但传统界面效应导致的低输出功率密度严重限制了其性能。

2 结果与讨论

2.1 TBE-GL-TENG的设计与输出性能

研究团队设计了一种新型管式体效应气液混合TENG（TBE-GL-TENG），其核心是在6 cm长的PTFE管内外壁分别设置环形电极。实验数据显示，该装置使用1.0 mL自来水时，可产生1530 V电压和112 μA电流，瞬时功率密度达18.67 kW m^?3，较传统单电极模式（Mode 1和Mode 2）提升显著。

2.2 水-绝缘体界面电荷转移机制

通过高速摄像和COMSOL模拟发现，气液混合流在水平管道中呈现环状流态，PTFE表面与水滴接触时因强吸电子效应带负电，而水带正电。引入内电极后，液滴作为桥梁连接PTFE与双电极，形成闭合回路系统，将界面效应转化为体效应，从而显著提升电荷转移效率。

2.3 体效应增强输出的电路机制

等效电路分析表明，TBE-GL-TENG的工作机制可抽象为三个电容（C_P、C_E1和C_E2）的动态耦合。当液滴接触内电极时，预存储在PTFE中的电荷通过闭合回路快速释放，产生瞬时高功率输出。离子浓度实验显示，适度增加NaCl浓度可提升电荷转移，但过高浓度会因"屏蔽效应"降低输出。

2.4 影响输出性能的关键因素

PTFE管长度、液体体积和厚度均对输出有显著影响：6 cm管长时电压达峰值；增加水体积可扩大固液接触面积，但超过阈值后输出趋于稳定；而PTFE厚度增加会降低整体性能。DFT模拟证实，水分子中Na⁺/Cl^?数量每增加1单位，电荷转移量提升0.014 e。

2.5 实际应用展示

TBE-GL-TENG展现出优异的稳定性（连续工作10小时电压保持600 V），通过整流电路可快速充电4.7 μF电容至3 V。在50 MΩ负载下实现18.67 kW m^?3功率密度，成功驱动640个LED阵列，展现了在自供电高压能源领域的应用潜力。

3 结论

该研究通过创新性地将体效应引入管式气液混合系统，突破了传统界面效应的限制，为开发高性能SL-TENG提供了理论和实践基础。未来在接触电催化（CE-Chemistry）和电响应软机器人等领域具有广阔应用前景。

4 实验方法

研究采用厚度1.0-2.0 mm的PTFE管，通过超声清洗和离子风扇处理确保表面电荷归零。电学测试使用高阻抗探头（100 MΩ）和低噪声电流放大器，数据通过LabVIEW系统采集。DFT计算采用VASP软件包，平面波截断能设为500 eV。