海洋所在拱形和柔性波浪能捕獲防腐蝕與監(jiān)測領(lǐng)域取得新進展
近日,中國科學(xué)院海洋研究所海洋材料腐蝕損傷機制與智能感知研究組在海洋波浪能腐蝕防護與監(jiān)測等研究方面取得重要進展。相關(guān)研究成果分別發(fā)表在國際期刊Advanced Materials和Advanced Functional Materials上。研究團隊成功開發(fā)了拱形和柔性結(jié)構(gòu)的能量捕獲創(chuàng)新設(shè)計,提升了海洋波浪能的利用效率,并且在不依賴外部電源的情況下,有效實現(xiàn)了金屬的陰極保護,預(yù)計將為海洋環(huán)境腐蝕防護和監(jiān)測應(yīng)用開辟新途徑。
團隊受拱橋結(jié)構(gòu)啟發(fā),通過簡單的彎曲工藝,設(shè)計了一款拱形結(jié)構(gòu)摩擦納米發(fā)電機(Arch-TENG)。Arch-TENG結(jié)構(gòu)簡單,成本低廉,并且組裝陣列能更加高效地轉(zhuǎn)換隨機多頻波浪能,耐用性和應(yīng)用性表現(xiàn)實現(xiàn)有效提升,在電荷輸出方面相比同面積的接觸分離結(jié)構(gòu)提升超過450%,證明了為低功耗電子設(shè)備供電的可行性。經(jīng)過26小時的耐久性測試后,器件的電氣輸出性能依然保持良好穩(wěn)定性。通過篩選摩擦材料搭配,優(yōu)化支撐材料剛性,調(diào)整拱結(jié)構(gòu)高跨比等關(guān)鍵參數(shù),驗證了其在真實海水中提供陰極保護的有效性(圖1)。

圖1 拱形陣列結(jié)構(gòu)波浪能捕獲示意圖
此外,團隊利用充填水的柔性緩沖袋作為摩擦材料的支撐,設(shè)計了一種流體支撐的摩擦納米發(fā)電機(Wat-TENG)。Wat-TENG結(jié)構(gòu)簡單,成本低廉,可就地取材組裝,較同條件激勵下的剛性接觸結(jié)構(gòu)輸出性能提高200%。通過不同類型的對比驗證,從摩擦材料接觸的力學(xué)角度提出了界面漸進鋪展效應(yīng)和流體靜壓效應(yīng)兩種機制,分析闡述了摩擦材料界面接觸效率提高與電輸出性能提升的機理。15萬次的重復(fù)測試驗證了其穩(wěn)定性,對碳鋼的陰極保護實驗與火焰報警器的供電實驗證明了其在工程中的適用潛力,為未來海上石油平臺的腐蝕預(yù)防和安全監(jiān)測提供了可行的解決方案(圖2)。

圖2 柔性結(jié)構(gòu)波浪能捕獲的工作機制與應(yīng)用場景
碩士研究生何京舜、博士研究生周暉分別為兩篇論文的第一作者,中國科學(xué)院海洋研究所王秀通研究員為論文的通訊作者。研究得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃等項目的資助。
論文信息:
Jingshun He, Xiutong Wang*, Mingxing Wang, Hui Zhou, Youbo Nan, Shiyu Cui, Tao Zhang, Liuyang Yang. Arch Shaped Triboelectric Nanogenerator for Wave Energy Harvesting and Corrosion Protection. Advanced Materials, 2026, 38(14), e23290. https://doi.org/10.1002/adma.202523290.
Hui Zhou, Xiutong Wang*, Mingxing Wang, Jingshun He, Youbo Nan, Liuyang Yang, Lisheng Luo, Jizhou Duan. Hydrostatic Pressure Contact Improves the Performance of Triboelectric Nanogenerators. Advanced Functional Materials, 2026, e74741. https://doi.org/10.1002/adfm.74841.
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