熱聲驅(qū)動(dòng)液態(tài)金屬基摩擦納米發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
摩擦納米發(fā)電機(jī)(Triboelectric nanogenerator, TENG)通過摩擦起電和靜電感應(yīng)可將多種形式機(jī)械能有效轉(zhuǎn)化為電能輸出，其潛在應(yīng)用領(lǐng)域包括微納能源、自驅(qū)動(dòng)傳感、藍(lán)色能源和高壓電源等。目前大多數(shù)摩擦納米發(fā)電機(jī)的研究局限于環(huán)境中隨機(jī)機(jī)械能的收集和轉(zhuǎn)換，限制了其應(yīng)用范圍。熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)可將外部熱源的熱能轉(zhuǎn)換成聲能(聲波形式機(jī)械能)，從而為摩擦納米發(fā)電機(jī)提供穩(wěn)定而持續(xù)的機(jī)械能。2017年，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員羅二倉課題組提出“熱聲驅(qū)動(dòng)摩擦納米發(fā)電機(jī)”這一熱-聲-電換能新流程，并通過將一接觸-分離模式摩擦納米發(fā)電機(jī)耦合在駐波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)諧振管末端，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了摩擦納米發(fā)電機(jī)作為聲電轉(zhuǎn)換裝置應(yīng)用于熱聲發(fā)電系統(tǒng)中的可行性(Applied Physics Letters 2017;111(15):153901)。
基于此，該課題組近期提出將液態(tài)金屬基摩擦納米發(fā)電機(jī)(LM-TENG)耦合在駐波型氣-液諧振熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)諧振管中，從而構(gòu)建出一種完全無固體運(yùn)動(dòng)部件的高可靠的熱聲發(fā)電系統(tǒng)。該發(fā)電系統(tǒng)的工作原理為：熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)利用熱致聲效應(yīng)將外部熱源的熱能轉(zhuǎn)化為工作氣體往復(fù)振蕩的聲能，氣體的往復(fù)振蕩驅(qū)動(dòng)U形諧振管中的液態(tài)金屬液面做升降往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使得摩擦納米發(fā)電機(jī)中兩種摩擦電性質(zhì)不同的材料(液態(tài)金屬和摩擦材料)表面周期性接觸和分離，利用兩種材料之間摩擦/接觸起電產(chǎn)生的電荷分離和感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電勢差驅(qū)動(dòng)外接電路中自由電子流動(dòng)，進(jìn)而將驅(qū)動(dòng)兩種材料接觸分離的聲能收集起來并轉(zhuǎn)化成電能輸出，最終實(shí)現(xiàn)從熱能到電能的持續(xù)、穩(wěn)定轉(zhuǎn)換。實(shí)驗(yàn)中，熱聲驅(qū)動(dòng)液態(tài)金屬基摩擦納米發(fā)電機(jī)獲得了最高15 V的開路電壓輸出，驗(yàn)證了這一新型熱聲發(fā)電技術(shù)的原理可行性。
相關(guān)研究成果以Thermoacoustically driven liquid-metal-based triboelectric nanogenerator: A thermal power generator without solid moving parts為題，在線發(fā)表在Applied Physics Letters上，并被選為Featured Article。理化所羅二倉和研究員余國瑤為論文通訊作者，特別研究助理朱順敏為論文第一作者，中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所研究員唐偉對該工作的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。上述研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金的資助。
