摩擦纳米发电机在蓝色能源收集和海洋环境监测方面的研究进展

姜阳 ,  梁茜 ,  蒋涛 ,  王中林

工程（英文） ›› 2024, Vol. 33 ›› Issue (2) : 222 -244.

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工程（英文） ›› 2024, Vol. 33 ›› Issue (2) : 222 -244. DOI: 10.1016/j.eng.2023.05.023
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摩擦纳米发电机在蓝色能源收集和海洋环境监测方面的研究进展

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Advances in Triboelectric Nanogenerators for Blue Energy Harvesting and Marine Environmental Monitoring

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摘要

蓝色能源，包括降雨、潮汐能、波浪能和水流能，是一种很有前景的可再生资源，但其开发利用受到现有技术的限制，因此利用率仍然较低。这种形式的能量主要由电磁发电机（EMG）收集，电磁发电机通过洛伦兹力驱动的电子发电。摩擦纳米发电机（TENG）和TENG网络作为蓝色能源收集的新方法，在低频和高熵能量采集方面优于EMG。TENG采用麦克斯韦位移电流机制产生电输出。迄今为止，已经进行了一系列的研究工作来优化TENG的结构和性能，以实现有效的蓝色能源收集和海洋环境应用。尽管到目前为止，TENG在这方面使用技术已经取得了巨大的进展，但在能源转换、设备耐久性、电力管理和环境应用方面仍需要持续的探索。本文报道了TENG在蓝色能源收集和海洋环境监测方面的进展，介绍了TENG的理论基础，并讨论了蓝色能源采集的先进TENG原型，包括在独立和接触分离模式中发挥作用的TENG结构。本文还总结了用于蓝色能源收集的TENG性能增强策略。最后，讨论了基于蓝色能源采集的TENG在海洋环境中的应用。

Abstract

Blue energy, which includes rainfall, tidal current, wave, and water-flow energy, is a promising renewable resource, although its exploitation is limited by current technologies and thus remains low. This form of energy is mainly harvested by electromagnetic generators (EMGs), which generate electricity via Lorenz force-driven electron flows. Triboelectric nanogenerators (TENGs) and TENG networks exhibit superiority over EMGs in low-frequency and high-entropy energy harvesting as a new approach for blue energy harvesting. A TENG produces electrical outputs by adopting the mechanism of Maxwell’s displacement current. To date, a series of research efforts have been made to optimize the structure and performance of TENGs for effective blue energy harvesting and marine environmental applications. Despite the great progress that has been achieved in the use of TENGs in this context so far, continuous exploration is required in energy conversion, device durability, power management, and environmental applications. This review reports on advances in TENGs for blue energy harvesting and marine environmental monitoring. It introduces the theoretical foundations of TENGs and discusses advanced TENG prototypes for blue energy harvesting, including TENG structures that function in freestanding and contact-separation modes. Performance enhancement strategies for TENGs intended for blue energy harvesting are also summarized. Finally, marine environmental applications of TENGs based on blue energy harvesting are discussed.

关键词

摩擦纳米发电机 / TENG网络 / 蓝色能源 / 能量收集 / 海洋传感器

Key words

Triboelectric nanogenerator (TENG) / TENG networks / Blue energy / Energy harvesting / Ocean sensors

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姜阳,梁茜,蒋涛,王中林. 摩擦纳米发电机在蓝色能源收集和海洋环境监测方面的研究进展[J]. 工程（英文）, 2024, 33(2): 222-244 DOI:10.1016/j.eng.2023.05.023

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1 引言

海洋占地球总面积的70.8%。除了使航运成为可能之外，海洋还为人类提供了水产品、丰富的矿藏和大量的蓝色能源[1‒5]。“新海洋能源”是指可以从海水中获得的可再生能源，包括潮汐能、波浪能、洋流能、温差能和盐度梯度能等[3,6‒11]。由于海洋能源是可再生能源，且比传统能源对环境的危害较小，因此海洋能源引起了广泛关注，估计有可能提供776亿千瓦的潜力。碳中和需要在碳排放和碳吸收之间取得平衡[1,12‒16]。达到碳中和最有效的方法之一是开发清洁能源，比如海洋提供的巨大蓝色能源[3,7,17‒22]。大规模利用蓝色能源将减少二氧化碳排放，大大缓解世界能源需求的紧张局势，改变全球能源结构[23‒28]。海面波浪的垂直和水平运动以及波浪中水的压力变化所产生的能量可以被收集并转化为电能，这是海洋能源开发的关键方向之一。然而，波浪能收集和转换技术还不够成熟，无法大规模商业化应用，也尚未形成产业链[29‒32]。目前，水波能量采集主要采用电磁发电机（EMG），它将水波能量捕获为机械能，并通过传输模块发电[4,33‒36]。然而，基于EMG的波浪能转换器件存在成本高、安装困难、易侵蚀、效率低、稳定性差等缺点，极大地阻碍了蓝色能源的大规模发展。

摩擦纳米发电机（TENG）是基于麦克斯韦的位移电流，由Fan等[37]在2012年发明的。TENG是一种新型技术，通过将摩擦带电与静电感应耦合来利用机械能发电[38‒47]。与EMG相比，TENG具有重量轻、功率密度高、成本效益高、制造方便、材料选择多样的优点[35,40,48‒51]。正如Wang等[38,40,44]、Xu等[52]、Yang等[53]、Ying等[54]、Zhang等[55]、Zheng等[56]、Zhou等[57]和Chen等[58]在2014年提出的那样，TENG及其网络为蓝色能源采集带来了一种新策略。许多单元或阵列原型已被设计出来，以提高能量收集和转换装置的输出性能[59‒64]。TENG设备可以有效地获取水能，作为自供电系统；因此，这些设备具有可再生和无污染的优点，可以应用于蓝色能源——一种具有战略意义、亟待开发的新型能源[27,35,65‒72]。

本文介绍了近年来利用TENG进行蓝色能源采集和海洋环境监测的研究进展。本文主要综述了TENG和用于蓝色能源采集的先进TENG原型的理论基础，包括滚球、圆柱形、摆动、三维（3D）电极、弹簧辅助、质量弹簧和类钟摆状结构。接下来，我们总结了在蓝色能源收集中使用TENG的性能增强策略。最后，讨论了基于蓝色能源采集的TENG在海洋环境中的应用。

2 TENG的理论基础

2.1 TENG的基本物理机制

TENG由Wang于2012年首次提出，基于接触带电（CE）和静电感应的耦合效应，通过两种不同材料之间的接触-分离来发电。CE的理论是基于重叠电子云（OEC）模型（称为Wang跃迁）。如果原子势垒降低，两个原子间的距离小于正常键长度，则束缚的电子可以从一个原子轨道移动到另一个原子轨道。

TENG的输出来源于麦克斯韦的位移电流。为了解释CE引起的麦克斯韦方程中的静电荷的贡献，Wang于2017年在电位移向量 D 中增加了一项 P S [36,43]，定义如下：

D   =   ε 0 E   +   P   +   P S

式中， E 为电场； P 为由于外部电场的存在而引起的极化场； P S是由于摩擦起电引起的表面极化变化而产生的极化；ε 0是真空介电常数。

通过将等式（1）代入麦克斯韦方程并定义 D '   =   ε 0 E   +   P后，重新表述的麦克斯韦方程[73]变成：

∇ ⋅ D '   =   ρ f   -   ∇ ⋅ P S
∇ ⋅ B   =   0
∇   ×   E   =   - ∂ B ∂ t
∇   ×   H   =   J   +   ∂ D ' ∂ t +   ∂ P s ∂ t

式中， B 为磁感应强度； H 为磁场； J 为自由电流密度； ∂ D ' ∂ t为由时变电场和电场诱导的介质极化引起的位移电流； ρ f为自由电荷密度。 ∂ P s ∂ t表示由非电场和外部应变场引起的位移电流。

传统的麦克斯韦方程适用于边界和体积是固定且静止的介质。然而，在某些移动介质和时间相关构型的情况下，这些方程需要扩展。假设运动介质是一个具有加速度的刚性平移物体，Wang [74‒75]从四个物理定律的积分形式推导出了展开的麦克斯韦方程。如果忽略相对论效应，则对一个机械驱动的慢动介质系统的麦克斯韦方程由以下给出：

∇ ⋅ D '   =   ρ f - ∇ ⋅ P S
∇ ⋅ B   =   0
∇   ×   ( E   +   v r   ×   B )   = - ∂ ∂ t B
∇   ×   [ H   -   v r × ( D ' +   P S ) ]   =   J f +   ρ f v   + ∂ ∂ t P S + ∂ ∂ t D '

式中， v为介质在其所选参考系中整体的运动速度，如系统平移速度； v r为介质点相对于该参考系的相对运动速度，如旋转。在扩展的麦克斯韦方程中，运动速度必须远小于真空中的光速，因为相对论效应被忽略了。这些方程是最全面的TENG控制方程，包括电磁相互作用、发电和耦合；它们是处理多个机械-电磁场之间的耦合及其相互作用的基础。

2.2 TENG的工作方式

基于CE和静电感应的耦合，TENG从人体运动、振动、机械触发、风、流水等过程中收集能量。如图1 [38]所示，TENG被分为四种基本的工作模式：垂直接触分离模式、水平滑动模式、单电极模式和独立的摩擦电层模式。在垂直接触-分离模式下，两个摩擦电层相互物理接触后，在其表面产生相反的电荷[图1（a）]。当两个摩擦电层的表面分离时，在两个电极之间产生一个电势降，以驱动电子通过连接的负载流动。随着间隙的消失，由于静电荷的消失，电势就会消失，诱导的自由电荷回流，达到电平衡。该模式在TENG的实际应用中具有瞬时功率密度高和结构设计简单等优点。

如图1（b）所示，两个摩擦电层的表面在水平滑动模式下通过周期性的接触和分离产生电力。首先，由于摩擦起电，这两个介电表面在发生物理接触后的所带的电荷相反。沿着滑动方向产生横向极化，驱动顶部和底部电极之间的电子流动，以平衡由摩擦电荷产生的电场。通过周期性的滑动和关闭，产生交流电（AC）输出。水平滑动模式比纯接触产生更有效的摩擦电荷。

垂直接触分离和水平滑动模式需要将两个电极附着在移动的摩擦电层上。然而，这对于实际应用是非常困难的，因为连接电极与移动物体是困难的。为了在实际应用中收集能量，引入了单电极TENG。如图1（c）所示，单电极TENG只有一个电极，不连接到移动物体。由于TENG的有限尺寸，顶部物体的接近和分离会改变电场分布，驱动底部电极和地面之间的电子流动，以保持平衡的电位。由于静电屏蔽效应，静电诱导的电子转移并不是最有效的转移形式，但带电物体可以不受任何限制地自由移动。这一优点使得单电极模式的TENG适合于作为一个自供电的有源传感器来检测任何带电物体。

对于从一个自由移动的物体中收集能量的情况，独立的摩擦电层模式有两个对称的固定电极。独立层交替移动以接近任意一个电极，并产生周期性的反转电势差[图1（d）]。由于缺乏屏蔽效应，独立的摩擦电层模式可以将摩擦电荷从电极转移到独立的摩擦电层。因此，独立层模式比单电极模层模式可以获得更多有效的能量。此外，摩擦电层在滑动过程中可以实现与电极层的不接触，避免了两个表面之间的摩擦，从而具有提高能量转换效率和长期稳定性的优点。

2.3 通过TENG收集大规模蓝色能源的原始想法

基于上述四种基本模式，TENG可以成功地从水面、水波和水对海岸的冲击中获取能量。2014年，Wang [37]提出了利用三维TENG网络获取大规模海洋蓝色能源的想法，因为水能频率较低且无序[图2（a）]。如图2（b）[40]所示，一个TENG网络由数百万个球形TENG单元组成，并以渔网的形式连接起来。在其低成本和简单的结构下，该网络可以用于大规模的蓝色能源收集，并且从所有TENG单元收集电能的总能量将是巨大的。TENG网络的提出为利用和开发水能带来了新的希望，为人类安全、持续、大规模地获取能源开辟了新的途径。

目前无与伦比的水频率限制了利用EMG进行的海浪能量收集，使TENG的应用成为必要。表1比较了TENG和EMG的技术[44,76]。EMG采用传导电流作为其基本物理机制，而TENG采用麦克斯韦位移电流。EMG通过洛伦兹力驱动的电阻自由电子传导产生电流，而TENG则采用基于时间依赖性静电感应和束缚电子运动引起的位移电流。EMG很重、价格昂贵，很容易被海水腐蚀，但其耐久性相对较高。相比之下，TENG重量轻，成本低，但存在高阻抗和脉冲输出的问题。此外，TENG具有多种工作模式、不同的材料选择和众多的应用领域。

用于收集波浪能的TENG不使用磁铁和线圈；相反，它使用轻且又极其便宜的聚合物材料将波浪能转化为电能。材料均为大型工业原料，结构简单，易于成型，因此TENG技术的生产成本远低于其他发电技术，为其广泛应用提供了有利条件。TENG网络不占用土地面积，也不需要修建大坝；无论天气如何，它都能昼夜发电，而且没有潜在的战略威胁。TENG技术不仅能使设备漂浮在水面上，收集波浪能，还能捕获水流的机械能。TENG可以从强风和海浪中收集机械能，并有效地管理小的波动。

3 用于蓝色能量收集的先进TENG原型

3.1 用于水能收集的独立式TENG

3.1.1 滚球形TENG

滚球结构是由摇动球壳内的滚动球制成的，是基于TENG的水能收集的典型结构。由于滚动摩擦力低，滚动球操作简单，可以在水中来回滚动，使其对微小的波很敏感。此外，还可以对滚球TENG中的球和壳的尺寸进行改变，以实现与水波运动的共振。滚球TENG也具有设备耐用性的优势，因为没有电线连接到球。

如图3（a）所示，Wang等[77]设计了一种滚动结构、独立、全封闭的TENG（RF-TENG），将一个带有Kapton薄膜的滚动尼龙球包裹在一个封闭的摇摆球壳内。在波浪振动的驱动下，独立的尼龙球可以在两个电极之间来回滚动，从而通过外部负载产生交流电（AC）。与其他单电极和附加电极模式的滚动结构TENG相比，这种独立式设计即使是在低振幅的振动下也具有良好的电荷转移效率和较高的能量转换效率。经过理论模拟和实验试验，RF-TENG在真实水波条件下，在外部负载下可实现的最大电流为1 μA，峰值功率输出为10 mW。

受一种被称为爱丁堡鸭子的波浪能收集装置的启发，一种新型的独立式滚动模式TENG与一种振荡的索尔特鸭[图3（b）][78]结合设计。由于其高效的流体动力结构，鸭式结构在实验室条件下可以获得80%以上的波浪机械能。在波浪内，鸭子的前部面对波浪，只反射波浪能的一小部分；此外，鸭式结构不会将波浪传输到下游。鸭子可以绕着一个平行于入射波的轴旋转，即使在恶劣的条件下也能表现出很高的效率。具有三个鸭机组的鸭TENG系统的瞬时输出功率密度高达1.366 W·m-2。

如图3（c）所示，Liu等[79]给出了一个由内球和环壳组成的环面结构（TS）-TENG。内球在水波下在环壳中旋转，将水波的运动转化为电能。TS-TENG收集的能量可以储存起来，用来持续地为电子设备供电和为电池或电容器充电。TS-TENG在频率为2 Hz、振荡角为5°的情况下，实现的最大峰值功率密度为0.21 W·m-2。

3.1.2 一种基于旋转圆盘结构的圆柱形TENG

为了提高TENG的产量、耐磨性和耐久性，利用动物毛皮设计了一种超耐用性、低耐磨性的TENG [图3（d）][80]。在旋转过程中，毛皮由于弹性和柔软，紧密接触，保持摩擦力低。由于与其他摩擦电材料的摩擦力低，实现了高输出性能和低磨损。此外，毛皮刷TENG的性能可以抵抗从40%到90%的湿度变化。为了进一步提高输出功率，通过增加一对啮合齿轮，使转子和定子之间的相对转速加倍。毛刷TENG可以收集风能和水流能，达到峰值功率密度和平均功率密度为5.02 W·m-2和2.40 W·m-2。由于软毛的摩擦和磨损较小，毛皮刷TENG在0.1 N·m下进行300 000次循环后的转移电荷衰减仅为5.6%。此外，通过毛皮盘和电极盘的相对旋转，通过反向旋转结构实现TENG的输出电流可以增加36.6%。

基于可扩展串联盘T（TD）-TENG的径向光栅盘结构，已经被证明用于自供电水质监测[图3（e）][81]。在结构中，TENG单元与两侧的两个悬挂的质量块串联排列。TD-TENG采用摆动质量块和表面修改来提高平均功率，从而将低频水波搅拌转换为高频电输出。TD-TENG在真实的波浪池测试中实现的最大峰值功率为45.0 mW，平均功率密度为7.3 W·m-3。此外，经过一个简单的电源管理电路，TD-TENG实现了11 mA的短路电流，这比报道的电流有了很大的进步。

3.1.3 摆动结构（S）-TENG

为了获取超低频水波能量，Jiang等[82]设计了一个稳健的摆动结构（S）-TENG [图3（f）]。柔性介电刷与摩擦电层和电极之间的气隙有助于产生低摩擦阻力。作为S-TENG的主要部分，一个基于轴承的摆动组件由两个圆形亚克力盘支撑。S-TENG的内壁附着在6个大小相等的铜（Cu）电极和4组薄的聚四氟乙烯（PTFE）条纹上。聚四氟乙烯条纹作为摩擦电荷的电荷泵来维持输出。此外，使用防摩擦轴承或在轴承连接件上添加润滑油，都会显著降低摩擦阻力。在外部常规触发条件下，S-TENG在7 cm和7.5 m·s-2的电机参数下，实现的最大峰值功率为4.56 mW，平均峰值功率为0.48 mW。S-TENG具有优异的耐久性。当被单一的水波触发时，S-TENG达到最大摆动时间为88 s。由于其低摩擦阻力，S-TENG可以收集超低频能量。

如图3（g）所示，已经开发了一种基于带有轴承组件的内部摆动结构的TENG [83]。圆柱形TENG由两个主要部分组成：一个带有氟乙烯丙烯（FEP）薄膜的叶片亚克力转子和一个由12个铜电极连接的定子亚克力外壳，每个电极的尺寸为25 mm×40 mm×30 μm。为了提高转子在外部激励下的摆动时间，转子共制作了6个空心或实心叶片，使转子的重心偏离轴承的中心轴。由于对器件空间的高利用率和振荡的自由度，这种圆柱形TENG比摆状TENG获得了更稳定和更密集的输出。此外，圆柱形TENG的摩擦阻力几乎为零，因为附着在FEP电介质薄膜上的转子可以悬浮在静态金属电极上，而不是直接与静态金属电极接触。圆柱形TENG在一次激发下可以摆动85 s，产生1.39 mJ的电能。其峰值功率密度为231.6 mW·m-3，平均功率密度为39.8 mW·m-3。

3.1.4 三维电极TENG

Yang等[84]设计了一个封装的高性能TENG单元，包括三维电极和自适应磁性（SAM）接头[图3（h）]。在每个三维电极中，电极板被封装在一个球形的壳体中。所述电极板上的铜层被连接起来，形成一对三维电极。FEP颗粒被放置在三维电极球的内部通道中。位于单元周围的SAM接头由一个可旋转的球形磁铁和一个极限块组成。FEP颗粒在外部机械激励下滚动并穿过两个三维电极之间的内部通道。当颗粒滚动时，FEP颗粒的表面带负电，铜电极带正电。带电的FEP球团的来回运动将机械能转化为电能，产生一个交流电。三维电极结构大大增加了接触界面，提高了电荷和功率输出。在空气中进行理想的搅拌下，三维电极的最大峰值功率密度为32.6 W·m-3，最大平均功率密度为8.69 W·m-3。一个由18个TENG单元组成的网络可以达到9.89 mW的高平均功率，使其成为一种有效地收集水波能量的绝佳方法。

3.2 用于水能收集的接触分离模式TENG

3.2.1 弹簧辅助结构

由于波浪的频率较低，大多数设计用于收集水波能量的TENG被设计为对应于0.03~1.00 Hz的水波频率，从而产生较低的输出频率和功率。为了提高能量转换效率，引入了弹簧结构来倍增输出频率。当被水波触发时，弹簧结构通过存储来自多个循环的弹性势能，将低频运动转换为更高频率的振荡，以便随后转换为电能。

2017年，Jiang等[85]提出了一款单弹簧辅助TENG，由一个亚克力盒和一个连接到两个Cu-PTFE覆盖的亚克力块的弹簧组成。更具体地说，盒状装置的两个内壁被锚定在两个铜电极上。每个亚克力块都嵌入一个小的圆形铁，增加接触力和接触面积。如图4（a）[85]所示，一块铁被夹在与Cu-PTFE薄膜结合的亚克力块和另一块原始的亚克力块之间。电机加速度、弹簧刚度和弹簧长度会大大影响TENG的输出，并对弹簧刚度或弹簧长度进行了优化，以使弹簧辅助的TENG达到最高的输出[85]。通过弹簧结构，TENG的累计电荷提高了113.0%，转化的电能或效率提高了150.3%。

设计了一种新的球形TENG，它将弹簧辅助结构与摆动结构结合起来，并封装在漂浮在海洋表面的外部亚克力球壳中[图4（b）][86]。在亚克力球形壳体中，两个轴承固定在内壁上，一个轴与一个摆动组件集成。为了降低重心，在挥杆部分的底部嵌入了一个铜质球。两个中间的亚克力板和弹簧附着在球形壳上，支撑着四个可移动的亚克力板。在水波的作用下，摆动部件左右摆动。该TENG在1 Hz和10 cm的真实水波下，实现了56.2 μA的输出电流和4.1 mW的输出功率。该弹簧提高了输出频率，以提高输出功率。摆动部分影响弹簧部件，减少摆动周期，增加摆动频率。此外，弹簧结构增加了TENG单元的摩擦电材料之间的接触力，增强了摆动部分的往复运动。

这些弹簧TENG被设计成在一个垂直或轴向的弹簧振动模式，以获得在该方向上的振动能量。然而，在TENG中并没有使用这些弹簧来获取水平方向的振动能量。开发了一种与弹簧集成的螺旋结构TENG，将TENG与弹簧集成，用于任意方向的振动能量收集[图4（c）][87]。这种螺旋TENG由两个导电弹性体层和两个非导电弹性体层组成。在软硅橡胶和钢丝弹簧的帮助下，垂直和水平的振动激励都改变了螺旋结构相邻线圈之间的距离。TENG还可以作为一个自供电的主动传感器来感知振动的加速度和频率。在16 Hz的垂直共振振动和8.5 Hz的水平共振振动下，其实现的最大平均功率密度为45 mW·m-2。

3.2.2 质量-弹簧结构

质量-弹簧结构可以调节，以匹配外部搅动的频率，从而实现共振，当被水波触发时，可以产生电能。2019年，Xi等[88]开发了一种具有多层质量TENG的自动力智能浮标系统（SIBS），用于收集水波能量。如图4（d）所示，多层TENG由6个基本单元组成，其中两个圆形的FEP薄膜附着在质量块的两侧，海绵作为缓冲[88]。在质量块的两侧，固定有两个弹性系数为50 N·m-1和长度为40 mm的弹簧。在水波作用下，质量体从顶部和底部的铜薄膜循环振动，产生交流电。这种多层TENG可以产生250 V的开路电压和3 μC的短路传输电荷。通过电源管理模块（PMM），可以将多层TENG的输出电压转换并调节为2.5 V的稳定直流（DC）电压。多层TENG的平均输出功率密度为13.2 mW·m-2。该TENG首次被用于演示基于该技术的自供电智能系统的微型能源策略，包括能源收集、管理和利用。

3.2.3 多层结构

多层结构可以扩大TENG的接触面积，是一种大大提高输出效率的有效方法。Xiao等[89]在2018年开发了一种具有弹簧辅助多层结构的球形TENG，用于收集水波能量[图4（e）]。该TENG装置具有弹簧结构和一体化多层结构的优点。一个铝电极和一个极化的FEP薄膜接触并分离，从而发电。在外壳内部，四个钢轴固定在附着在球体内壁上的圆形亚克力块之间。为了保护质量块不与顶部的亚克力材料块发生碰撞，在质量块的顶部连接了四个刚性弹簧。为了确保充分的接触，在多层TENG的底部安装了两个4 mm厚的亚克力块。以12.5 µm厚的FEP薄膜作为介电层，以两片铝箔作为电极，制作了一个锯齿状结构。TENG阵列在水波作用下产生的输出电流为225 µA，最大输出功率为15.97 mW。

建立了具有拱形顶、底板和多层核心的TENG网络[图4（f）][90]。热处理后，聚对苯二甲酸乙二醇酯弯曲形成顶部和底板。由于薄膜的弹性，TENG可以发电。上层和底层的材料核心是聚四氟乙烯薄膜，铜在其上沉积形成背面电极。为了提高摩擦电荷密度，采用聚四氟乙烯纳米线阵列通过反应离子刻蚀技术修饰聚四氟乙烯表面。由于亚克力强度高、重量轻、可加工性好、成本低，其被选为结构支撑材料。TENG预计在1 km2的水域平均输出1.15 MW。

3.2.4 摆状结构

通过摆动的质量块，具有摆状结构的TENG可以转换和存储势能以输出电能。在机械激励下，摆状结构将冲击搅动转化为较长时间的连续摆动。开发了一种具有摆状结构的弹性连接和软接触TENG，同时提高了耐久性和效率[图4（g）][91]。这种摆状的TENG对摩擦电层之间的外部机械激励很敏感。TENG在非接触模式下工作，这增强了其鲁棒性和耐久性。此外，摆状的弹簧和柔性介电绒毛实现了弹性连接和软接触。TENG的表面摩擦电荷可以通过机械激励来高效地补充。TENG最大峰值功率为28 µW，能量转换效率为29.7%，连续运行200万次循环后具有优异的耐久性。

基于优化的摆状结构，Ren等[92]于2021年开发了一种具有TENG和具有四个铜线圈的EMG的混合纳米发电机[图4（h）]。这种TENG可以向船上的终端发送高频预警信息，在不可预见的雾或暴雨等恶劣的海洋条件下，为船舶安全提供有价值的信息。纳米发电机的摩擦起电部分由6对接触分离模式组成，以聚酰亚胺薄膜（Kapton）为骨架。FEP和Cu薄膜附在Kapton薄膜上。EMG部分由一个可摆动的磁铁块和四个铜线圈组成，利用设备内的空间。磁铁块作为一个质量块，为钟摆提供运动惯性。优化后的弹簧安装在摆杆的两侧，以拉紧摩擦电层的接触，避免钟摆的摆动幅度过大。单次TENG的输出功率为1.72 mW，功率密度为0.41 W·m-2。

Xie等[93]开发了一种非共振杂化电磁TENG，用于获得全维振动能量[图4（i）]。该纳米发电机有八个主要部分：四个TENG、一个磁铁支架、一个线圈、一个圆柱形NdFeB磁铁、一个弹簧、一个端盖、一个空心圆柱形壳、一个调整螺柱和一个锁定螺钉。TENG的振荡部分由弹簧支撑在一个固定表面上，并作为球体围绕支撑摆动。由于其弹性，TENG可以减少磁铁与外壁碰撞造成的能量损失。TENG在0.5 MΩ的负载阻力下，总功率为470 μW，EMG在280 Ω的负载阻力下，最多可提供523 mW功率。混合系统的能量转换效率为48.48%。

4 TENG在蓝色能量收集中的性能增强策略

将TENG开发为一种收集蓝色能源的新型发电技术，已成为清洁和可再生能源领域的主要研究课题。然而，要实现商业化，还有很长的路要走。主要问题是TENG在水波下的性能难以达到商业标准。近年来，研究人员从不同的角度探索了一系列用于蓝色能量收集的TENG的性能增强策略。

4.1 材料和结构的优化

蓝色能量收集的效率主要取决于水波作用下的TENG输出。首先，材料优化是TENG性能增强的基础[63,88]。一种有效的解决方案是根据摩擦电系列，选择电负性差异较大的材料[64,89,94‒95]。2021年，Chen等[83]首次将柔软而密集的兔皮毛引入S-TENG装置，以获取蓝色能量。与大多数摩擦起电材料相比，兔皮毛被发现具有强正电性。在该装置中，兔皮毛提供了电荷补充，提高了摩擦起电表面的电荷密度和TENG的输出性能。兔毛还可以减少摩擦阻力和材料磨损。在随后的作品中，兔毛已经成为一种常见的材料选择。

除了选择合理的材料外，研究人员还通过微加工或化学方法对用于TENG制造的材料进行了表面修饰，以构建微纳米结构。Chen等[90]通过自上而下的反应离子蚀刻方法在聚四氟乙烯表面创建了纳米线阵列，这在很大程度上提高了CE中的电荷密度。表面功能化会影响材料的电气化性能，从而提高了TENG的输出性能。设计软接触模式是材料优化的另一个很有前途的方向。Cheng等制作了滚动柔性液体/硅球作为软芯，构建了软接触球形TENG（SS-TENGs），显著增加了接触面积。与传统的基于硬接触模式的球壳TENG相比，SS-TENG在最大输出电荷方面提高了10倍。从电极材料开始，以软接触模式构建TENG也是可行的。Xiao等[89]用硅橡胶/炭黑复合电极制备了TENG。具有柔软质地的硅基电极在与电介质膜作为另一表面使用时提供了改进的接触效果。

此外，合理的结构设计可以优化TENG装置与水波之间的相互作用，增强TENG的工作效果。第3节对各种TENG结构进行了系统的分类和总结，包括原始的球壳结构、三维电极结构、有效的弹簧结构、耐用的摆状结构等。通过对这些结构的不断优化，逐步提高了TENG器件的输出性能和水波能量转换效率。

综上所述，材料和结构优化是提高蓝色能量采集TENG性能的最直接的方法，对这些TENG的商业化具有重要意义。

4.2 混合能源收集

与传统的能量收集方法相比，TENG具有高电压、低电流、高能量转换效率等独特的特点。将其他能量收集方法与TENG相结合，结合其各自的优点，被认为是一种有效的性能增强策略。

近年来，许多学者对具有TENG和EMG的混合纳米发电机进行了系统的研究。2019年，Hou等[96]提出了一种旋转摆摩擦电-电磁混合发电机，用于水波能量采集。该装置的结构如图5（a）[96]所示，包括钟摆转子（磁铁和铜环）、线圈、TENG叶片和圆柱形框架。磁铁和线圈形成一个EMG模块，而叶片和铜环形成一个接触-分离的TENG模块。研究人员将该装置放置在一个实验室模拟的水波环境中，验证了该装置收集水波能量的可行性。在此装置的基础上制作了一个简单的浮标并应用于太湖。同年，Chen等[97]报道了用于进行水波能量清除的混沌摆摩擦电-电磁纳米发电机；结构图如图5（b）所示。该设备由独立模式下的TENG单元和EMG单元组成。TENG单元被固定在中央摆的扇区上，而EMG单元则被设置在中央摆的中间空间内。与上述描述的两种钟摆结构不同，Wu等[34]通过划分多层空间设计了一个球形混合纳米发电机，如图5（c）所示。设备中的磁球不仅是EMG的一个单元，还驱动下面的TENG。同样，图5（d）[98]所示的装置被分为多个部分。在该设备中，每个腔室都配备有一个TENG单元，而最外面的两个腔室都配备有EMG单元。

除了EMG外，将压电纳米发电机（PENG）与TENG结合起来制造混合能量收集器，在某些情况下是蓝色能量收集的有效方向。图5（e）显示了由Tian等[99]在2022年提出的摩擦电-电磁-压电混合纳米发电机。该设备是一个半圆柱形结构，包含一个TENG单元、两个EMG单元、和两个PENG单元。壳体和滑块一起构成TENG单元，而悬臂梁上的线圈和磁铁构成EMG单元，PENG单元附着在悬臂梁的根部。由于磁体之间的斥力，悬臂梁可以以高频振动，驱动PENG单元产生电荷。PENG的引入进一步丰富了混合动力发电机的工作模式，提高了输出性能。

海洋含有多种能源，其中波浪能只是其中之一。开发能够同时收集波浪能和其他形式能量的混合动力发电机，可以提高海洋能量收集的效率。图5（f）显示了一个同时收集风能和波浪能的TENG装置，这是由Zhu等[100]在2021年报道的。太阳能与波浪能的结合是另一个很好的方向。Zhang等[101]提出了一种结合了摩擦效应和阴影效应的阴影-摩擦效应纳米发电机，如图5（g）所示。这个球形装置可以漂浮在海洋表面，并被太阳照射。在黑暗条件下，器件的工作机制主要基于摩擦效应，输出功率以交流脉冲的形式存在。在光照条件下，阴影效应占主导地位，该器件产生直流输出。在这项工作中，研究人员利用了两种能量收集方法来实现高效的海洋能量收集。

4.3 网络设计

与广阔的海洋表面相比，单个TENG单元的尺寸很小，因此水波能量收集的规模有限。2014年，Wang [38,102]提出了将多个TENG单元连接到网络中以获取波浪能的想法，这是提高规模和输出性能的良好途径。最近，研究人员对TENG网络提出了各种建议。

集成TENG单元最简单的方法是建立一维（1D）链状结构。2019年，Xu等[103]构思了一个基于塔状TENG单元的从海底向上延伸的链状结构[图6（a）]。该方案利用了深海中的能量，避免了占据海面，从而减少了对人类生活的不利影响。一维的链状结构也可以沿着海浪的方向排列。图6（b）和（c）[81,104]提供了两个典型的例子。图6（b）所示的装置来自Pelamis Snake能量收集器[104]。当波浪通过时，链条可以很容易地弯曲，从而输出电能。图6（c）中的结构是基于TD-TENG单元[81]，底部有一根绳子连接这些单元。将各单元置于合理的连接位置，可以优化各TENG单元在链式结构中的移动，从而提高输出性能。

另一种常见的集成方法是开发二维（2D）平面结构网络，用于在海洋表面收集水波能量。图6（d）提供了Chen等[105]在2015年设计的大规模网络示意图。该TENG网络呈正方形，并在该方案中引入了多层次结构。整个TENG网络由多个模块组成，其中每个模块由一定数量的TENG单元组成。这是一个非常简单和有效的集成方案，许多TENG网络设计都借鉴了这项工作。例如，图6（e）展示了由Xu等[72]在2018年制作的一个4×4 TENG网络的照片。除了正方形结构外，研究人员还试图探索其他集成方法来构建不同形状的TENG网络。2019年，Liang等[51]报道了一个六方的TENG网络，如图6（f）所示。该网络由七个球形弹簧辅助的TENG单元组成，它们分别分布在六边形的六个顶点和中心上。

除了TENG网络的形状外，网络中各单元之间的连接模式也会影响其在水波环境中的整体性能。2019年，Yang等[84]提出了一种基于三维电极结构的自组装TENG网络。通过将合理的SAM节点连接在每个TENG单元的球壳上，研究人员成功地实现了TENG网络的自组装、自适应和自修复，如图6（g）[84]所示。该方案提高了TENG组网和维护的效率，对蓝色能源的商业化具有重要意义。但目前相关研究工作较少，方案仍处于前期阶段，需要进一步探索。

4.4 电源管理

在机械力的驱动下，TENG装置直接以交流脉冲的形式产生电能。后端功能电路难以有效利用这种电能，限制了TENG的实际应用。为了解决这一问题，研究人员开发了有效的电源管理方案。由于TENG在水波下能量的输出是不规则的，因此对于蓝色能量采集来说，结合电源管理方案显然是必要的。电源管理是蓝色能源开发的重要性能提升策略。

水波能量采集电源管理系统的框架如图7（a）[51]所示。首先，TENG网络收集水波能量并产生交流输出。接下来，PMM将信号转换为直流输出。最后，利用直流输出为一般功能电路供电，包括传感器、显示器和无线发射机。

目前，最常用的PMM是基于DC降压转换的，由Xi等[48]于2017年首次报道。2019年，Liang等[51]将该模块应用于水波能量采集；详细的电路图如图7（b）所示。该模块包含一个自动开关、一个电感器、一个电容器和一些二极管。它可以通过自主开关提取TENG网络产生的最大电能。电感器和电容器作为一个低通滤波器，将不规则的电压转换为一个稳定的直流电压。连接到该模块的TENG网络的输出性能如图7（c）[51]所示。可以看出，输出电压曲线是稳定的直流信号，无论负载电阻如何。该模块的引入可以显著提高TENG网络的充电速度。图7（d）显示了有或没有该模块的TENG网络充电速度的比较，显示有该模块的10 mF电容器的充电速度提高了96倍。基于该模块，Xi等[88]开发了一个SIBS用于水波能量采集。该系统的电路图如图7（e）所示。一个调节器和稳定器进一步提高了该模块的实用性。图7（f）为不同负载电阻的电源管理TENG的输出电压曲线[88]。电压曲线均稳定在2.5 V，而持续时间随负载能耗的不同而不同。研究人员还测量了电压U与转移电荷Q的关系（U-Q曲线），并将其与理论最大值进行了比较，如图7（g）[88]所示。结果表明，70.3%的能量从TENG自主转移到模块中，说明该模块具有较高的工作效率。

4.5 电荷激发

近年来，研究人员开发了有效的充电泵和电荷激励方案，以提高一般TENG的输出性能[105‒108]。这些方法比材料优化和结构设计更简单、更有效。很明显，这些方法的结合是实现蓝色能量采集TENG性能提高的一种有效方法。

2020年，Wang等[109]展示了一种基于电荷穿梭的用于水波能量收集的高性能TENG。TENG器件的结构和电路连接如图8（a）[109]所示。TENG装置分为左相和右相两部分。左泵TENG产生的电荷通过整流桥在主TENG（M-TENGs）L1和L2中累积，右相相似。通过电荷积累，整个TENG器件的输出性能大大提高。图8（b）[109]为TENG的输出功率，说明最大输出功率达到126.67 mW，功率密度为30.24 W·m-3，这比普通的TENG有巨大的改进。

除了将充电泵和电荷激励方案应用于各个TENG单元之外，充电泵和电荷激励方案也已用于TENG网络的开发。图8（c）为由Jiang等[110]设计的自电荷补充（CS）-TENG网络示意图。这个网络包含一个CS-TENG和多个M-TENG。CS-TENG是一种采用接触-分离模式的普通TENG，而M-TENG则由三层组成。CS-TENG作为充电泵，所产生的电荷都在M-TENG中积累，是防止电荷耗散的有效解决方案。当TENG网络在水波中工作时，M-TENG的电极之间的电位差驱动电流通过外部负载，产生周期性的交流电。研究人员探索了两种不同的网络连接模式，其中CS-TENG和M-TENG的连接位置不同。图8（d）和（e）中显示有或没有电荷补充方案的网络的传输电荷和输出电压。无论采用何种连接方式，电荷补充网络的输出性能都明显优于直接输出[110]。研究小组还在2020年[111]提出了电荷激励TENG网络。在这项工作中，专门为用于水波能量收集的TENG设计一种基于串并联开关的电荷激励电路（CEC）。当与CEC集成时，TENG的输出电流得到提高，交流输出被转换为直流输出。因此，电荷激励TENG单元可以直接连接到没有整流桥的网络上。电路图如图8（f）[111]所示。为了验证CEC的工作效果，研究者系统地测量了TENG网络在不同水波条件下的输出性能。图8（g）为TENG网络的输出电流。在水频率为0.6 Hz时，最大值达到24.5 mA，远高于普通的TENG网络[111]。输出功率达到24.60 mW，峰值功率密度计算为6.71 W·m-3 [图8（h）][111]。这些结果表明，将电荷泵和电荷激励方案与TENG相结合的蓝色能量收集是一种有效的性能增强策略。

5 基于蓝色能量采集的TENG海洋环境应用

众所周知，海洋的环境污染和自然灾害逐渐对海洋能源的利用产生负面影响。因此，海洋监测和传感在发展智能海洋中起着关键作用。

5.1 海洋中分布式传感器和信号传输系统的电源

5.1.1 水温、大气压、湿度监测

海洋环境传感技术是海洋环境监测的基本技术，它可以将海洋气象、水文、生态等要素的感知特征转化为适当的电信号。在海洋环境监测中，需要各种传感器来监测不同的物理和化学参数，如水温、大气压、风速、风向、pH值、电导率、湿度等。

许多TENG被设计用来获取水波能量，并为能够监测水温、大气压和湿度的分布式传感器提供电力。例如，Liu等[79]在2019年开发了一个由内球和环面壳组成的TS-TENG [图9（a）]。TENG收集水波能量并储存能量为环境传感器供电；它的阵列为47 μF的电容器充电，然后为温度计供电。该温度计由一个开关连接起来，可以用来测量水温。

Cheng等[112]于2018年开发了一个由大气压差驱动的波浪能收集系统[图9（b）]。这种TENG利用间歇性和低频的近岸水波运动来收集和储存能量，将其转化为气流，然后触发连续、高频的运动。两种特定的TENG结构已经被证明：一种是由较低的气流速度触发的TENG，另一种是由较强的气流驱动的TENG。随着气流速度从7 m·s-1增加到10 m·s-1，短路电流从4 μA增加到8 μA；然后，它会随着速度的进一步增加而减少。当气流速度达到14 m·s-1时，短路电流为6 μA.

此外，Kim等[113]在2018年开发了一个浮动浮标TENG，包括一个亚克力填充发电单元、一个高度可调支架和一个浮动浮标[图9（c）]。这种TENG为一个具有470 μF电容器的温湿度计提供电力。当TENG将电容器充电到2 V时，温湿度计被打开，电压降到1.6 V。TENG的自供电的温度和湿度系统可以提供有用的天气信息，如海上的温度和湿度。

5.1.2 水质监测

化肥、农药、污水、石油、重金属、微量元素、塑料和富营养化等来源的水污染造成了严重的环境问题。为了可持续和自主地监测水质，有必要开发能够获取当地波浪能的现场自供电水质监测系统。各种TENG结构已被开发出来，用于自供电的水质监测。

2019年，Bai等[81]在径向光栅盘结构上开发了一种可扩展TD-TENG，用于自供电水质监测[图9（d）]。通过电源管理，将总溶解固体（TDS）测试笔连接到TENG，其电容为14.7 mF。当电容器被充电到3.5 V时，测试笔通过关闭开关而被打开，并测量水的TDS值。在测试中，发现TDS测试笔的正常工作电压为3 V，比温度计或无线发射器的能耗要大得多；因此，它需要更高功率TENG。

另一种用于水质监测的TENG使用圆柱形波驱动联动机构，它将水波运动转化为转子的圆周运动，并将旋转能量转化为电能[图9（e）][114]。TENG固定在水面上，转子在水波下旋转。TENG为一个10 mF的电容器充电，为一个具有蓝牙传输能力的检测笔供电。各种数据，包括水温、pH、TDS和电导率，通过蓝牙无线传输到移动电话。

人们提出一种新的回收方法，即再利用废弃牛奶盒来制造TENG [115]。该TENG产生600 V的开路电压和40 µA的短路电流。此外，TENG还可以驱动无线传感器节点供电进行pH监测。如图9（f）所示，该TENG被放入河中，为亚克力板上的无线应变计传感器供电，其电阻随亚克力板变形而变化[115]。当岩石翻滚并撞到亚克力板时，传感信号被发送到远程接收器并显示在计算机上，从而产生山体滑坡监测警报。

5.1.3 无线SOS报警系统

当船舶在海上遇险时，通过船上的设备向附近的船只或海岸站发送遇险信号，有助于确保海上交通的安全。然而，目前还缺乏适合用于信息传输的低功耗传感器。Wu等[34]于2019年开发了一种基于磁球的混合摩擦电-电磁式纳米发电机，它可以从任何方向获取水波能量。这种混合发电机可以收集能量来驱动无线传感器网络，用于环境监测，包括温度、pH值和氧气水平。如图10（a）[34]所示，混合装置利用水波能量，驱动带有温度开关的无线水温报警系统。在该系统中，当温度开关关闭时，低损耗调节器单元上超过2.75 V的充电电压提供足够的能量为后续电路供电。微控制器单元和无线接收机的工作电压为3.3 V，温度报警系统如图10（a）所示。

一种超耐用和低磨损的TENG已被开发出来，用于驱动农业生产中的电力设备[图10（b）][80]。这种TENG可以收集水流能和风能，为许多传感器提供动力，以实时监测环境和管理全自动农业。TENG单元采用了一种独立的模式，由一个毛皮盘和一个连接到聚四氟乙烯薄膜上的电极盘组成。TENG用一个470 µF的电容为土壤湿度传感器提供电力，该传感器可以连续地实时监测土壤湿度。TENG还利用风能为雨滴传感器提供电力，用于监测天气并在下雨时发出警报。

一种类似浮标的液-固接触TENG，具有四个关键优势，已被开发用于从海洋中利用蓝色能量[图10（c）][116]。内部TENG并联连接，从水波中收集内部液体在振动或旋转运动下的机械能。每平方公里上间隔10 cm的三维TENG网络可以很容易地为一个城镇提供足够的电力。如图10（c）[116]所示，TENG网络产生电能并将其存储在电容器中，以驱动无线SOS系统，该系统包括桥式整流器、大电容器、无线射频（RF）发射器和一个接收器。当大电容器的电压迅速下降到约2.5 V时，无线射频传感器发出被设置为“SOS_SOS_SOS_SOS_”的信号。

5.1.4 综合海洋信息检测/信号传输/显示系统

海洋环境监测被广泛应用，包括水质监测、海洋传感、珊瑚礁监测和海洋渔场监测，其中许多需要不同的有线/无线传感器网络、系统架构、通信技术和传感技术。本文提出了一种由聚二甲基硅氧烷、聚合物纳米复合薄膜和金属电极组成的仿生水母TENG的创新原型[图10（d）][117]。该TENG具有防水和自适应的形状，其性能提高了143.0 V、11.8 mA·m-2和22.1l C·m-2，允许它直接为绿色发光二极管（LED）或温度传感器供电。TENG与一个信号处理电路集成，构建了一个自供电的温度传感器和一个无线自供电的波动预警系统。当电压达到3 V时，无线自供电波动预警系统触发一个遥控器，它控制一个无线发射器，可以在紧急状态和正常状态之间远程切换警报器。该TENG可用于预测潮汐的变化和海洋的波动。如图10（d）[117]所示，预警周期随水体的波动频率而变化，随着水的波动频率的增加，预警时间缩短。

开发了一种新的CEC用于TENG，以获取水波能量[图10（e）][111]。在这项技术中，19个TENG单元组成了一个用于蓝色能量收集的多模块TENG网络。电荷激励TENG网络驱动无线发射器，当电压达到3 V时发出信号。信号每20 s发射一次，由手机进行接收和处理。

一种网络集成的TENG已经被开发为一种高度自适应的方法，利用各种类型的水波来收集能量[图10（f）][118]。TENG阵列可以适应不同的水波运动，产生稳定的电输出。TENG的面积为100 mm×70 mm，无论水波是否随机，在12 cm的波高下，都能产生1.03 mW的稳定电功率。它收集随机水波的动态能量并为无线发射器供电，从而显示出作为环境污染检测甚至无线传感器网络的实时电源的潜力。

5.1.5 海洋定位系统

海洋定位是指利用仪器和设备来确定船舶在海洋上的位置和指导船舶航行的过程，这对探索海洋非常重要。开发了一种自供电跷跷板结构-摩擦电-电磁混合纳米发电机，它可以从宽频率和不同方向的水波中获取能量[图11（a）][119]。当全球位置系统（GPS）模块上的电压达到3.3 V时，该模块被触发并从卫星接收其位置[图11（b）][119]。接下来，GPS模块发送要在计算机屏幕上显示的位置信息。

Wang等[120]开发了一种全封装的船形混合纳米发电机（SHNG），利用封装策略获取水波能量[图11（c）]。两端有磁铁的滚轮连续驱动布置在船舶两侧的六个接触-分离模式的TENG。这种混合TENG构成了一个自供电的无线定位系统来定位水源的位置。GPS模块可连续供电，可及时发送无线信号。这些TENG可以集成到网络中，以有效地收集水波能量，提供了多源位置的优势，同时促进了饮用水的提供。

5.2 自供电海洋传感器

TENG技术的发展为构建自供电海洋环境应用系统奠定了基础，对人类的生产和生活具有重要意义。

5.2.1 海浪频谱传感器

Chen等[121]于2021年开发了一种基于可移动部件和两种固定薄膜的性能增强型滚动TENG[图12（a）]。在滚动TENG中，滚动球和摩擦电层的接触/分离驱动电子流并产生电力。输出电压随波浪的振幅和频率而变化。在振幅为10 cm、20 cm和30 cm时，TENGs的输出电压分别为4.8 V、7.1 V和8.5 V。当典型的波浪振幅为20 cm时，TENG的输出电压随水波频率的增加而增大。

5.2.2 水/液位传感器

研制了一种基于TENG的磁瓣型双功能传感器，用于检测气动流量和液位[27]。这个TENG由一个外磁瓣、一个磁浮子和一个锥形腔组成。如图12（b）[27]所示，模拟水位试验循环系统由一个泵和一系列水管[27]组成。水位的升降过程由四个开关控制。例如，当开关I和IV打开，开关II和III关闭时，水箱I中的水位上升。此外，该开关还可以控制水位的升降速率。如果液位低于或高于设定值，则会触发报警响应。

2022年，Xu等[122]开发了一种基于TENG的圆柱形液位传感器，该传感器使用一个小的铁磁芯作为传输线圈[图12（c）]。使用阻抗分析仪测量传感器在500 kHz和3 MHz下的电容。该传感器响应液位，并及时监测液位。无线液位传感器的谐振频率和信号振幅随液位的变化而变化。

人们开发了一种新型的磁场辅助非接触TENG，无需直接接触即可在外部磁场下驱动铁磁流体运动[123]。该TENG具有润滑油层，浸在一个有阀门的玻璃罐中的水中，并垂直固定在一个平台上。标记了电极的宽度、电极之间的距离和磁铁环的厚度，如图12（d）[125]所示。磁铁环的运动驱动铁磁流体随水位的运动，从而导致电极上发生电子转移。然后通过电信号的变化来获取水位信息。

5.3 水下无线通信

随着海洋勘探的蓬勃发展，水下设备和技术的改进越来越受到关注。水下无线通信一直是了解和开发海洋的关键。目前，水下通信是通过声、光、电磁场等各种物理场来实现的。由于声波不容易被水吸收，与电磁波和光波容易被水吸收不同，水声通信已成为应用最广泛的水下通信方法。然而，水声通信伴随着相当大的传输延迟，并且传输受到温度、压力和盐度的影响。与声波和光波相比，电磁波不受噪声和湍流的影响。水下位移电流通信具有高传输速率、低延迟的典型特点。高频电磁波主要被水吸收，而低频电磁波可以通过几公里长的天线传输。

本文首次将TENG技术应用于水下无线通信中，创新性地实现了在复杂水域中的自供电水下无线信号传输[图13（a）][41]。研究团队从麦克斯韦位移电流的角度对水下电场信号的传输机制进行了深入分析，建立了水下无线通信实验系统，并进行了多次实验[图13（b）和（c）][41]。实验结果表明，水下电场信号不受盐度、浊度和水下障碍物的干扰，即使通过100 m长的螺旋水管[图13（d）]，其波形也不会失真[41]。这种基于TENG技术的新型水下电场通信方法具有信号稳定、不受障碍物影响、自供电的优点。此外，TENG的电流信号在遇到水下干扰时具有良好的抗干扰能力。当信号通过100 m长的盐水管时，电流信号的峰值与原始信号相比下降了66%，且电信号的波形没有失真[图13（e）][41]。通过使用开/关键控，文本和图像可以在水箱中成功传输。连续传输约20 000个数字信号，未见错误，水下照明系统通过TENG进行无线语音控制。

5.4 自供电电化学系统

金属腐蚀缩短了海上设施和设备的使用寿命，造成了巨大的经济损失。设计并制造了一种分段摆动结构的基于皮毛的TENG，为外加电流阴极保护提供了一种适用的自供电解决方案[图14（a）][124]。将抛光的Q235碳钢作为阴极，将石墨片作为阳极，浸泡在3.5%的氯化钠溶液中。结果表明，采用金属防腐系统可以降低和延缓碳钢的腐蚀。

Feng等[125]设计了一种基于TENG的自供电电化学系统，用于将水波能转化为氢燃料形式的绿色能源[图14（b）]。自供电电化学系统由TENG网络、储能模块、电解槽、供电设备、终端气表和储罐组成。自供电电化学系统在理想条件下以814.8 µL·m-2·d-1的速率产生H2燃料，法拉第效率为69.1%，转换效率为44.3%。

Liu等[126]开发了具有良好耐腐蚀性的基于TENG的耐用超疏水氟化二氧化硅（F-SiO2）/环氧树脂（FE）涂层，构建了一种用于自供电阴极保护的协同防腐系统[图14（c）]。在3.5 wt%的氯化钠溶液中，受协同防腐体系保护的铝板的腐蚀电位（E corr）显著降低了745 mV。

开发了一种基于海水超级电容器和TENG模块的船用自充电电力系统[图14（d）][127]。由于其中空设计，该电极具有更好的稳定性和电容，在能量密度为5.12 W·h·kg-1的情况下实现了4.32 kW·kg-1的高功率密度。TENG模块可以采集水波能量，实现一个自充电的海洋电力系统，可以为电子设备和传感器供电，显示出智能海洋和物联网的竞争潜力。

6 结论和前景

本文综述了TENG在蓝色能量采集和海洋环境监测方面的研究进展。首先，介绍了TENG的理论基础，包括其基本的物理机制和工作模式，以及利用TENG网络获取大规模蓝色能量的原始想法。接下来，详细阐述了先进的TENG原型在提高效率、耐久性方面的相关进展，以及在蓝色能量收集中的应用，如滚动球、旋转盘、3D电极、弹簧辅助、质量弹簧和摆状结构。此外，还讨论了蓝色能量采集中的性能增强策略。文献中材料和结构优化显著提高了TENG的输出，而电源管理和电荷激发是未来提高TENG性能的很有前途的方法。最后，本文综述了基于蓝色能量收集的传感器在海洋环境中的应用，包括海洋分布式传感器和信号传输系统、海洋自供电传感器以及构建自供电电化学系统的应用。表2 [77‒93]总结了不同TENG原型在蓝色能量收集方面的性能比较。

使用数百万个TENG单元来构建3D TENG网络，有可能实现大规模蓝色能量收集的梦想[40]。一个TENG单元可产生约10 mW的功率，在每秒两到三次的水波作用下，功率密度最高可达10 W·m-3。覆盖相当于Georgia大小的海洋面积、深度10 m的TENG网络可以产生16 TW的电力，可以满足世界每年的总能源需求。同时，其他能量收集设备可以与TENG网络混合，实现水波、风能和太阳能的协同能量收集。产生的电力可以在当地的浮动平台上使用，也可以转移到发电厂或陆地电网。海洋蓝色能源的发展将为碳中性提供一个新的范式。如果蓝色能源的梦想能够实现，随之而来的社会和经济影响将是不可估量的，并可能引发一场能源革命，大力促进社会生产力的发展和人类文明的进步。

在实现大规模的TENG网络和朝着蓝色能源梦想取得进一步进展之前，这些挑战仍有待解决。例如，TENG的能源收集效率、设备耐久性、网络设计和应用扩展仍需进一步研究。我们建议将以下关键领域作为未来研究的重点：

（1）为不同类型的TENG设备开发电源管理和存储技术，以提高性能；

（2）设计其他能源装置，提高海洋能源的收集能力；

（3）提高TENG系统的耐久性，减少腐蚀，确保可靠性和长使用寿命；

（4）开发多种与海洋相关的自供电系统应用程序。

TENG将很快在海洋设备供电、岛屿供电、海洋导航定位、水下或水面监测等方面取得突破，蓝色能源梦想必将成真。

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