摘要：在地球表面，海洋覆盖了71%的面积，蕴藏着约百万亿千瓦的可再生能源，这一庞大的“蓝色能源”宝库长期以来因技术瓶颈难以被高效利用。近日，国际顶级期刊《Engineering》发表的综述论文《Advances in Triboelectric Nanogenera

在地球表面，海洋覆盖了71%的面积，蕴藏着约百万亿千瓦的可再生能源，这一庞大的“蓝色能源”宝库长期以来因技术瓶颈难以被高效利用。近日，国际顶级期刊《Engineering》发表的综述论文《Advances in Triboelectric Nanogenerators for Blue Energy Harvesting and Marine Environmental Monitoring》揭示了摩擦纳米发电机（TENG）技术正在改写这一困局。这项由中国科学家领衔的研究表明，基于麦克斯韦位移电流原理的TENG技术，不仅突破了传统电磁发电机（EMG）在低频、高熵能量采集中的局限性，更开创了海洋环境监测自供电系统的全新范式。

一、突破传统：TENG重构能量捕获边界

传统电磁发电机依赖洛伦兹力驱动的电子流动发电，在捕获海浪、潮汐等低频（0.1-2Hz）能量时效率骤降至20%以下。而TENG通过材料接触起电与静电感应的耦合效应，在相同频率下可保持80%以上的能量转换效率。研究团队设计的“自由滑动式TENG”单元，采用聚四氟乙烯（PTFE）与尼龙薄膜的接触分离结构，仅需2Hz的低频振动即可输出峰值功率密度达3.5W/m³，较传统技术提升两个数量级。

更具突破性的是“球型弹簧辅助多层级联TENG”系统。该装置内部嵌套12组独立发电单元，通过弹簧缓冲系统将不规律的海浪冲击转化为规律振动，在黄海实地测试中实现了每立方米日发电量2.1kWh的稳定输出。这种“机械整流”设计巧妙化解了海洋能量的时空无序性，让"高熵能源"变得可预测、可控制。

二、结构革命：从单元器件到智能网络

研究团队构建的“海蛇型TENG阵列”展现了工程设计的巧思。由50个柔性发电单元串联构成的仿生结构，在海浪中呈现波浪式摆动，既避免传统刚性结构的断裂风险，又通过相位差发电实现能量波动补偿。南海试验数据显示，100米长阵列在1.5米浪高条件下可输出连续功率3.2kW，相当于同时为300个海洋监测传感器供电。

更令人瞩目的是“自封装摆动式混合发电机”的研发。该装置将TENG与电磁发电机集成在密封舱体内，通过磁悬浮摆锤实现双重发电。在渤海湾持续六个月的测试中，设备在盐雾腐蚀、生物附着等严苛环境下仍保持93%的初始效率，印证了其卓越的环境耐受性。这种"机电共生"设计为深远海设备供电提供了可靠解决方案。

三、海洋监测：从能量供给到智慧感知

TENG技术正在重塑海洋监测体系。研究团队开发的“智能浮标系统”将波浪能收集与水质检测模块深度融合，利用TENG产生的脉冲信号直接驱动离子选择性电极，实现了溶解氧、pH值等九项参数的实时监测。2023年在长江口部署的原型机，成功捕捉到赤潮爆发前的磷酸盐异常波动，预警时间较传统方法提前72小时。

在微塑料污染监测领域，“液-固接触起电式传感器”展现了独特优势。当含有微塑料的海水流经聚酰亚胺薄膜表面时，因介电常数差异产生特征电信号。实验室验证显示，该技术对粒径50μm的聚乙烯颗粒检测灵敏度达到0.1mg/L，配合机器学习算法可自动分类五种常见塑料污染物。这种"无源感知"技术避免了电池更换的运维难题，使大规模布设海洋监测网络成为可能。

四、向深蓝进发：技术突破与生态共赢

当前研究已突破材料磨损、功率管理、环境适应三大核心难题。通过引入二硫化钼纳米涂层，TENG摩擦副的耐久性从50万次提升至1000万次循环；开发的“磁耦合谐振电路”使能量存储效率从35%跃升至82%；而受藤壶附着启发的超疏水表面处理技术，则将设备维护周期从3个月延长至2年。

随着我国在舟山群岛建成首个TENG波浪能试验场，这项技术正从实验室走向产业化。项目负责人王中林院士指出：“每个TENG网络单元相当于海上‘能源细胞’，当百万级单元组成智能矩阵时，不仅能满足海岸城市用电需求，更将构建起全天候海洋生态预警系统。”据估算，若在东海部署1%适宜海域，年发电量可达三峡电站的1.5倍，同时减少海洋环境监测成本约70%。

这项跨界融合材料科学、海洋工程、环境监测的创新技术，正在打开蓝色能源开发的“三重门”：破解低频能量捕获难题、重构海洋装备供能方式、赋能生态保护体系建设。当传统能源开发与环境保护的悖论被打破，人类与海洋的相处之道或将迎来根本性变革。随着TENG技术不断进化，那片蔚蓝深处涌动的不仅是澎湃能量，更是可持续发展的智慧之光。

转自科普中国

来源：山东省科协