在地球表面，海洋覆蓋了71%的面積，蘊(yùn)藏著約百萬億千瓦的可再生能源，這一龐大的“藍(lán)色能源”寶庫長期以來因技術(shù)瓶頸難以被高效利用。近日，國際頂級期刊《Engineering》發(fā)表的綜述論文《Advances in Triboelectric Nanogenerators for Blue Energy Harvesting and Marine Environmental Monitoring》揭示了摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）技術(shù)正在改寫這一困局。這項(xiàng)由中國科學(xué)家領(lǐng)銜的研究表明，基于麥克斯韋位移電流原理的TENG技術(shù)，不僅突破了傳統(tǒng)電磁發(fā)電機(jī)（EMG）在低頻、高熵能量采集中的局限性，更開創(chuàng)了海洋環(huán)境監(jiān)測自供電系統(tǒng)的全新范式。

一、突破傳統(tǒng)：TENG重構(gòu)能量捕獲邊界

傳統(tǒng)電磁發(fā)電機(jī)依賴洛倫茲力驅(qū)動的電子流動發(fā)電，在捕獲海浪、潮汐等低頻（0.1-2Hz）能量時(shí)效率驟降至20%以下。而TENG通過材料接觸起電與靜電感應(yīng)的耦合效應(yīng)，在相同頻率下可保持80%以上的能量轉(zhuǎn)換效率。研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的“自由滑動式TENG”單元，采用聚四氟乙烯（PTFE）與尼龍薄膜的接觸分離結(jié)構(gòu)，僅需2Hz的低頻振動即可輸出峰值功率密度達(dá)3.5W/m3，較傳統(tǒng)技術(shù)提升兩個數(shù)量級。

更具突破性的是“球型彈簧輔助多層級聯(lián)TENG”系統(tǒng)。該裝置內(nèi)部嵌套12組獨(dú)立發(fā)電單元，通過彈簧緩沖系統(tǒng)將不規(guī)律的海浪沖擊轉(zhuǎn)化為規(guī)律振動，在黃海實(shí)地測試中實(shí)現(xiàn)了每立方米日發(fā)電量2.1kWh的穩(wěn)定輸出。這種“機(jī)械整流”設(shè)計(jì)巧妙化解了海洋能量的時(shí)空無序性，讓"高熵能源"變得可預(yù)測、可控制。

二、結(jié)構(gòu)革命：從單元器件到智能網(wǎng)絡(luò)

研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的“海蛇型TENG陣列”展現(xiàn)了工程設(shè)計(jì)的巧思。由50個柔性發(fā)電單元串聯(lián)構(gòu)成的仿生結(jié)構(gòu)，在海浪中呈現(xiàn)波浪式擺動，既避免傳統(tǒng)剛性結(jié)構(gòu)的斷裂風(fēng)險(xiǎn)，又通過相位差發(fā)電實(shí)現(xiàn)能量波動補(bǔ)償。南海試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，100米長陣列在1.5米浪高條件下可輸出連續(xù)功率3.2kW，相當(dāng)于同時(shí)為300個海洋監(jiān)測傳感器供電。

更令人矚目的是“自封裝擺動式混合發(fā)電機(jī)”的研發(fā)。該裝置將TENG與電磁發(fā)電機(jī)集成在密封艙體內(nèi)，通過磁懸浮擺錘實(shí)現(xiàn)雙重發(fā)電。在渤海灣持續(xù)六個月的測試中，設(shè)備在鹽霧腐蝕、生物附著等嚴(yán)苛環(huán)境下仍保持93%的初始效率，印證了其卓越的環(huán)境耐受性。這種"機(jī)電共生"設(shè)計(jì)為深遠(yuǎn)海設(shè)備供電提供了可靠解決方案。

三、海洋監(jiān)測：從能量供給到智慧感知

TENG技術(shù)正在重塑海洋監(jiān)測體系。研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的“智能浮標(biāo)系統(tǒng)”將波浪能收集與水質(zhì)檢測模塊深度融合，利用TENG產(chǎn)生的脈沖信號直接驅(qū)動離子選擇性電極，實(shí)現(xiàn)了溶解氧、pH值等九項(xiàng)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。2023年在長江口部署的原型機(jī)，成功捕捉到赤潮爆發(fā)前的磷酸鹽異常波動，預(yù)警時(shí)間較傳統(tǒng)方法提前72小時(shí)。

在微塑料污染監(jiān)測領(lǐng)域，“液-固接觸起電式傳感器”展現(xiàn)了獨(dú)特優(yōu)勢。當(dāng)含有微塑料的海水流經(jīng)聚酰亞胺薄膜表面時(shí)，因介電常數(shù)差異產(chǎn)生特征電信號。實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證顯示，該技術(shù)對粒徑50μm的聚乙烯顆粒檢測靈敏度達(dá)到0.1mg/L，配合機(jī)器學(xué)習(xí)算法可自動分類五種常見塑料污染物。這種"無源感知"技術(shù)避免了電池更換的運(yùn)維難題，使大規(guī)模布設(shè)海洋監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)成為可能。

四、向深藍(lán)進(jìn)發(fā)：技術(shù)突破與生態(tài)共贏

當(dāng)前研究已突破材料磨損、功率管理、環(huán)境適應(yīng)三大核心難題。通過引入二硫化鉬納米涂層，TENG摩擦副的耐久性從50萬次提升至1000萬次循環(huán)；開發(fā)的“磁耦合諧振電路”使能量存儲效率從35%躍升至82%；而受藤壺附著啟發(fā)的超疏水表面處理技術(shù)，則將設(shè)備維護(hù)周期從3個月延長至2年。

隨著我國在舟山群島建成首個TENG波浪能試驗(yàn)場，這項(xiàng)技術(shù)正從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人王中林院士指出：“每個TENG網(wǎng)絡(luò)單元相當(dāng)于海上‘能源細(xì)胞’，當(dāng)百萬級單元組成智能矩陣時(shí)，不僅能滿足海岸城市用電需求，更將構(gòu)建起全天候海洋生態(tài)預(yù)警系統(tǒng)。”據(jù)估算，若在東海部署1%適宜海域，年發(fā)電量可達(dá)三峽電站的1.5倍，同時(shí)減少海洋環(huán)境監(jiān)測成本約70%。

這項(xiàng)跨界融合材料科學(xué)、海洋工程、環(huán)境監(jiān)測的創(chuàng)新技術(shù)，正在打開藍(lán)色能源開發(fā)的“三重門”：破解低頻能量捕獲難題、重構(gòu)海洋裝備供能方式、賦能生態(tài)保護(hù)體系建設(shè)。當(dāng)傳統(tǒng)能源開發(fā)與環(huán)境保護(hù)的悖論被打破，人類與海洋的相處之道或?qū)⒂瓉砀拘宰兏铩ｋS著TENG技術(shù)不斷進(jìn)化，那片蔚藍(lán)深處涌動的不僅是澎湃能量，更是可持續(xù)發(fā)展的智慧之光。

來源: Engineering