熱聲驅動液態(tài)金屬基摩擦納米發(fā)電機結構示意圖

摩擦納米發(fā)電機(Triboelectric nanogenerator, TENG)通過摩擦起電和靜電感應可將多種形式機械能有效轉化為電能輸出，其潛在應用領域包括微納能源、自驅動傳感、藍色能源和高壓電源等。目前大多數(shù)摩擦納米發(fā)電機的研究局限于環(huán)境中隨機機械能的收集和轉換，限制了其應用范圍。熱聲發(fā)動機可將外部熱源的熱能轉換成聲能(聲波形式機械能)，從而為摩擦納米發(fā)電機提供穩(wěn)定而持續(xù)的機械能。2017年，中國科學院理化技術研究所研究員羅二倉課題組提出“熱聲驅動摩擦納米發(fā)電機”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)電機耦合在駐波熱聲發(fā)動機諧振管末端，實驗驗證了摩擦納米發(fā)電機作為聲電轉換裝置應用于熱聲發(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(LM-TENG)耦合在駐波型氣-液諧振熱聲發(fā)動機諧振管中，從而構建出一種完全無固體運動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)動機利用熱致聲效應將外部熱源的熱能轉化為工作氣體往復振蕩的聲能，氣體的往復振蕩驅動U形諧振管中的液態(tài)金屬液面做升降往復運動，使得摩擦納米發(fā)電機中兩種摩擦電性質不同的材料(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/接觸起電產生的電荷分離和感應電荷產生的電勢差驅動外接電路中自由電子流動，進而將驅動兩種材料接觸分離的聲能收集起來并轉化成電能輸出，最終實現(xiàn)從熱能到電能的持續(xù)、穩(wěn)定轉換。實驗中，熱聲驅動液態(tài)金屬基摩擦納米發(fā)電機獲得了最高15 V的開路電壓輸出，驗證了這一新型熱聲發(fā)電技術的原理可行性。

相關研究成果以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驗設計提供了指導。上述研究工作得到國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學基金的資助。