用于集成电热能量转换的高输出液滴驱动型摩擦纳米发电机

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：High-output droplet driven-based triboelectric nanogenerator for integrated electrothermal energy conversion

　　

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  构建了液滴驱动的D-TENG用于电热能量转换。
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  D-TENG的的输出电流最高可达1.16  毫安。
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  实现稳定的温升5.5 °C。

引言

气候变化引发的极端天气事件频发，对农业生产构成严重威胁，尤其是对依赖稳定微气候的设施农业[1], [2], [3]。在全球范围内，寒冷地区（年平均温度低于10°C的地区）占耕地资源的35%以上。设施农业温室是保障该区域作物越冬和提高产量的核心装备。其内部温度维持能力直接决定了作物生长周期和产量。寒冷环境中的低温胁迫是限制温室高效运行、保障作物生长和反季节供应的核心瓶颈之一[4]。传统温室保温方案主要依赖被动保温材料（如保温棉和塑料薄膜）和主动加热系统（化石燃料加热和电网供电加热）。然而，两种方法都存在显著的技术局限性。被动保温材料仅能减缓热损失，无法主动补充热量，难以应对极端低温事件。主动加热系统依赖化石燃料或电网，不仅加剧了碳排放和能源消耗，而且在寒冷地区高海拔或无电网覆盖的偏远地区难以实施[5], [6]。因此，开发低碳、低成本、自持的主动温室保温技术对于推动农业可持续发展和增强农业韧性具有重要意义。

近年来，摩擦纳米发电机（TENG）作为一种新兴的机械能收集技术脱颖而出。它具有原料来源广泛和能够捕获低频机械能的优点。它为从环境中收集分散的低品位能量提供了革命性的解决方案[7], [8], [9], [10], [11], [12], [13]。TENG可以有效地将农业环境中的随机和不规则机械能转换为电能，例如液滴能量[14]、风能[15]和水流能量[16]等[17], [18], [19]。这种能量足以驱动低功耗设备或系统[20], [21]。特别是，液-固接触TENG能够高效收集来自雨水和灌溉水等天然水源的机械能。此外，这些设备的输出特性与农业环境中水资源分布呈现天然的时空耦合关系，在农业环境能量收集领域展现出独特潜力[22], [23], [24]。然而，仍存在两大挑战：首先，传统D-TENG介电层的电荷存储能力和疏水性不足，导致能量转换效率低[25], [26], [27]，难以满足加热和保温的能源需求。其次，大多数现有设备采用"发电加外部加热模块"的分离设计[28]，导致显著的电能传输损耗和系统集成度低，无法适应温室复杂的空间布局和保温要求。尽管近年来该领域在提高单设备输出功率方面取得了显著进展，但大多数研究仍局限于能量收集阶段。从随机、间歇性液滴能量到稳定、可控的终端热管理应用的完整技术路径尚未得到系统解决[29], [30]。如何高效地将TENG产生的脉冲电能转换为农业生产可用的热能，并确保其在实际寒冷气候条件下稳定运行，仍是当前研究尚未解决的挑战，也是实现其实际应用价值的关键。

针对上述挑战，本研究提出并开发了一种面向寒冷气候温室保温的自供电热管理薄膜系统。该系统将液滴能量收集、原位产热和主动保温集成于单一单元中。通过PFDTES和ZnCl₂溶液对聚合物薄膜进行协同改性，本研究显著提高了薄膜表面的负电性和电荷存储稳定性。这种优化提高了在低温高湿环境下液滴能量收集的效率。创新性地，将条状加热碳浆直接图案化涂覆于薄膜背面，同时作为摩擦起电的感应电极和电能转换为热能的加热电阻。这种一体化设计实现了原位能量转换，最大限度地减少了中间传输损耗。此外，通过调节PFDTES含量、ZnCl₂溶液浓度、液滴冲击位置和电极位置，在模拟液滴冲击下，该器件产生的峰峰值电压高达215.4  伏特，峰峰值电流为1.16  毫安，展现了优异的液滴能量收集能力。电能通过焦耳加热效应直接在碳浆条内转换为热能，使薄膜表面产生约5.5°C的稳定温升。这有效地抑制了温室内部的骤冷现象，为作物生长维持了适宜的环境。该热能主要以远红外辐射的形式释放。此波段的辐射能高效穿透空气并被植物吸收，避免了传统对流加热方法导致的空气干燥和温度不均匀等问题。本研究不仅报道了一种高效液滴驱动的TENG器件，还开发了一种面向寒冷地区温室的绿色保温技术方案，对推动可再生能源与智慧农业深度融合以及实现农业碳中和目标具有重要的理论意义和工程应用价值。

章节摘要

材料

聚二甲基硅氧烷（Sylgard 184胶装）和氢化硅油（PMHS）购自Sigma-Aldrich（分子链中含有活性Si-H键）。1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷（PFDTES，96%）购自麦克林生化科技有限公司（中国上海）。正己烷（97%）、ZnCl₂（99%）颗粒和无水乙醇购自阿拉丁工业有限公司（中国）。加热碳浆购自深圳向日葵电子材料有限公司。

材料制备与表征

图1展示了PFDTES/PDMS/ZnCl₂复合薄膜的制备过程。首先，将PDMS预聚物与PFDTES按预定比例混合。在搅拌下反应完全后，加入相应量的PDMS交联剂。经均匀搅拌后，引入正己烷作为稀释溶剂。然后，将一定体积的PDMS溶液转移至烧杯中，加入预先配制的氯化锌溶液，持续搅拌。

结论

本研究成功设计并制造了一种具有液滴能量收集和电热转换能力的自供电摩擦纳米发电机（D-TENG）系统。通过PFDTES和ZnCl₂的协同改性，实现了对聚合物薄膜表面电荷密度和液-固（L-S）界面接触起电（CE）的双重调控。在模拟液滴驱动下，该系统产生的峰峰值电压高达215.4  伏特，且

CRediT作者贡献声明

崔兰月：验证，监督。孟杰：验证，监督。王道爱：撰写—审阅与编辑，资源，方法论，资金获取，概念化。孙威祥：撰写—审阅与编辑，资源，方法论，资金获取，概念化。王鹏飞：撰写—初稿，可视化，软件，调查研究，数据整理。王楠楠：撰写—初稿，软件，方法论。杨迪：验证，软件，形式化分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本论文所报道工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

感谢国家自然科学基金（22309106、52205230）、山东省自然科学基金（ZR2023QE067、ZR2025QC1124）、山东省重点研发计划（项目编号：SYS202203）和山东省高校青年创新科技项目（2023KJ091）的资助。

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