一、摘要
液 - 固摩擦纳米发电机（TENGs）通过液滴与带电表面的接触产生电能，在收集水动能方面展现出巨大潜力。然而，现有研究大多聚焦于提升液滴滑动阶段的能量转换效率，却忽视了液滴冲击过程中的显著能量耗散。因此，高效回收耗散的冲击能量是突破当前能量转换效率瓶颈的关键。本研究提出一种具有各向异性超疏水性的仿生薄膜，并构建了用于高效冲击能量回收的仿生复合摩擦纳米发电机（TENG）。该仿生薄膜在液滴冲击瞬间储存机械能，而各向异性表面诱导液滴非对称回缩，同时提高表面电荷密度并缩短接触时间。单电极结构实现了液滴从冲击到滑动全轨迹的能量转换，首次冲击的水滴能量收集效率达 0.18%。此外，本研究还构建了一体化冲击 - 滑动水能转换的新型理论框架，为提升液 - 固接触系统的转换效率提供了新视角，对雨滴、潮汐等动态水能资源的高效收集与利用具有重要意义。
二、研究背景
全球能源短缺问题日益严峻，寻找可持续的可再生能源已成为全球战略重点。水覆盖了地球表面约 71% 的面积，是地球上最大的能量载体，从水中收集能量并将其转化为电能在能源领域具有广阔的应用前景。近年来，基于液 - 固接触起电和静电感应耦合的液 - 固摩擦纳米发电机（TENGs），凭借其结构简单、成本低廉、适用性广等优势，在水能收集领域展现出巨大潜力。
与大型水体中的传统水力发电技术相比，TENGs 特别适合收集低频、分散的水能资源，包括流水、滴水和波动水等。其中，雨滴能量因其分布广泛、可再生性强，在偏远地区供电、环境监测等分布式能源应用中具有不可替代的优势。通常，雨滴能量收集涉及两个宏观过程：初始液滴冲击诱导的弹跳和后续的表面滑动 - 脱离。
目前，固 - 固和液 - 固摩擦纳米发电机（TENGs）通过先进的材料和结构设计，在单个过程的能量收集方面已实现高效能，但两个阶段之间的协同作用仍未得到充分探索。尽管有研究通过简单叠加和串联开发了具有双能量收集模式集成的 TENG，但它们分离的双电极设计无法在每次弹跳 / 滑动过程中与液滴保持同时接触，导致协同能量收集仅在液滴整个运动过程中的特定冲击 / 滑动时发生，其余运动阶段仍处于单一能量收集模式。更关键的是，首次冲击会耗散高达约 90% 的总机械能，且后续弹跳过程中可用能量迅速下降，传统双电极结构的双模式 TENG 受限于其固有的 “随机” 协同机制，无法充分利用液滴整个运动过程中的动能和界面能。
此外，在多次液滴冲击和滑动的整个过程中，由于液 - 固界面的粘性相互作用，不可避免地会发生显著的能量耗散，这种耗散主要源于液滴冲击时的铺展 - 回缩过程和液滴的滑动运动。传统解决该问题的方法集中在通过材料改性和仿生结构设计构建超疏水表面，但大多数此类超疏水表面设计具有各向同性特征，虽能在一定程度上抑制滑动过程中的粘附和滞留，却无法调节多次液滴冲击时的铺展 - 回缩动力学，因此进一步优化超疏水表面上的液滴动力学行为以减少粘性能量耗散，是提升液滴能量收集效率的另一关键挑战。
三、研究内容
受芦苇叶各向异性超疏水形态的启发，本研究提出一种仿生双模式摩擦纳米发电机（Bio-LS-TENG），其将单电极三明治结构与各向异性微沟槽 - 乳突结构协同集成。单电极设计实现了在多次液滴冲击 / 滑动全过程的任何接触点都能协调双发电输出；同时，各向异性形貌驱动液滴非对称铺展 - 回缩行为，从而缩短液 - 固接触时间并最大限度减少粘性耗散，且增大的有效表面积可实现更高的电荷积累，显著提升能量转换性能。该系统在首次液滴冲击时实现了 0.18% 的能量转换效率，并开发了一种微机电系统，其高性能输出达 270 V 和 6.5 μA，验证了其在实际场景中的应用潜力。此外，Bio-LS-TENG 基于液滴完整的多次冲击 - 滑动运动过程，提出了一种新型水能转换理论框架，为提升液 - 固接触过程中的动态水能收集效率提供了通用策略。
四、结果讨论
（一） 生物膜的表面微观结构与润湿性特征
芦苇叶表面的天然多尺度结构和各向异性润湿性能为液滴的定向收缩提供了有利条件。研究发现，芦苇叶表面微观结构由微沟槽阵列和微乳突组成，所有微沟槽均与突出的叶脉平行，微沟槽宽度和相邻微沟槽间距分别为 100 μm 和 50 μm，微乳突直径为 10 μm 且均匀分布。芦苇叶在不同方向均表现出超疏水特性，叶脉水平和垂直放置时水接触角分别为 155.6° 和 151.5°，但滑动角存在明显差异，分别为 8° 和 13°，呈现出显著的各向异性润湿性。
基于芦苇叶表面微观结构分析，通过激光雕刻工艺制备了生物膜（Bio-film）样品，其表面具有定向微沟槽阵列和丰富的微粒，微沟槽宽度约 35 μm，相邻间距约 60 μm，微粒平均尺寸为 8 μm，成功再现了芦苇叶表面的关键拓扑特征。与半生物膜（S-Bio-film）和非生物膜（N-Bio-film）相比，生物膜在不同方向具有最高的水接触角和最低的滑动角，平行方向水接触角为 162.3°、滑动角为 4°，垂直方向分别为 157.5° 和 9°，表面特性与芦苇叶几乎一致，实现了具有芦苇叶样层级表面纹理和润湿行为的氟橡胶薄膜制备。
（二）液滴冲击生物膜表面的动态分析
液滴冲击生物膜表面的动态过程可分为铺展和回缩两个阶段。在铺展阶段，液滴在惯性力作用下迅速铺展并在 6.24 ms 达到最大铺展直径，动能主要转化为表面能；随后液滴非对称回缩，于 18.77 ms 脱离表面。半生物膜和非生物膜的铺展时间与生物膜相近，但回缩时间更长。生物膜上液滴的弹跳速度最高，达 3.37 m/s，约为非生物膜的 1.3 倍。
这一快速回弹机制包括两部分：各向异性微沟槽对液滴的诱导作用和微沟槽 / 微乳突复合结构的毛细作用。微沟槽结构使液滴在平行和垂直方向的收缩速度存在显著差异，平行方向收缩速度明显加快，导致液滴整体非对称收缩；而微沟槽和微乳突产生的毛细压力在回缩阶段可促进液滴弹跳，进一步缩短回缩时间。此外，生物膜的超疏水特性显著加速了液滴滑动，与非生物膜相比，生物膜上液滴滑动速度提升约 2100%，且液滴几乎沿平行于微沟槽的确定路径滑动，这归因于微沟槽形状的引导以及重力和表面张力的协同作用。
（三）B-S-TENG 的电学性能分析
将三种薄膜分别与铜板组装成单电极 TENG，其发电机制为：液滴铺展时，液 - 固界面平衡电荷数增加，驱动电子从地流向铜电极；回缩时，平衡电荷数减少，电子从铜电极流回地，液滴弹跳一个周期产生正负电信号变化。生物膜组装的 TENG（Bio-L-TENG）开路电压为 15 V，高于半生物膜和非生物膜组装的 TENG。
水平取向生物膜的 Bio-L-TENG 发电频率和短路电流均高于垂直取向，平均功率密度达 40.82 W・m⁻²，是垂直取向的 1.6 倍。电荷转移测试显示，Bio-L-TENG 的转移电荷为 8.4 nC，是非生物膜 TENG 的 2.7 倍，表明仿生微纳结构设计显著提升了界面电荷捕获和存储能力。液滴滑动速度对电荷转移影响显著，生物膜上液滴滑动速度更快，接触分离次数增加，电荷转移量增多，且 Bio-L-TENG 在单液滴和多液滴滑动场景下均表现出优异的电学特性，具有良好的环境适应性。
（四）Bio-LS-TENG 的电学性能分析
通过静电纺丝工艺在 Bio-L-TENG 背面制备 PVC 薄膜，并与尼龙膜、亚克力基底组装成 Bio-LS-TENG。PVC 膜与尼龙膜因电负性差异构成固 - 固 TENG（S-TENG），PVC 膜的多孔纤维结构可增大接触面积，提升电荷转移效率。单电极结构设计使 Bio-LS-TENG 在液滴整个运动过程的每次碰撞中，通过冲击和原位滑动（铺展 - 回缩）过程实现双模式能量收集。
Bio-LS-TENG 的发电性能优于 Bio-L-TENG 和 S-TENG，开路电压、短路电流和电荷转移量分别为 92 V、1.77 μA 和 30.65 nC。外部条件影响测试表明，测试平台倾角 30° 时其输出性能最优；液滴下落高度从 10 cm 增至 50 cm，开路电压和短路电流分别从 32 V 增至 89 V、0.79 μA 增至 1.69 μA；液滴体积从 56 μL 增至 120 μL，开路电压和短路电流分别从 19 V 增至 88 V、0.6 μA 增至 1.6 μA。稳定性测试显示，2500 s 连续监测期间，其开路电压稳定在 70 V，具有良好的耐久性和机械稳定性。此外，Bio-LS-TENG 可有效为不同电容器充电，4 个器件串联并联组成的微机电系统可输出 270 V、6.5 μA，成功为小型温湿度计供电，验证了其实际应用潜力。
五、总体结论
本研究提出并验证了一种仿生表面摩擦纳米发电机，单电极结构与各向异性仿生界面结构的协同耦合显著提升了能量利用率，使单液滴首次冲击贡献了整个发电周期总输出的约 90%。单次冲击下，该器件实现了 92 V 的开路电压和 0.18% 的能量转换效率，界面能量密度达 172 μJ・m⁻²，证实了水的最大动能存在于初始液滴冲击和回弹过程，为优化整个动态冲击 - 滑动过程的能量转换提供了理论基础。基于该机制的雨滴能量收集系统可在 270 V 和 6.5 μA 下稳定驱动微传感器网络，验证了分布式自供电能源供应场景的可行性。该研究突破了液 - 固 TENG 的效率瓶颈，建立了考虑界面电荷增强和电路匹配的通用设计框架，为雨滴、潮汐、工业凝结水等分布式水能资源的高效、宽带收集提供了可扩展的技术路线，对推动自供电物联网和碳中和分布式能源系统建设具有重要意义。
六、图文概览
图 1、N - 生物膜（a）、半生物膜（b）和生物膜（c）的表面微观结构示意图；
图 2、Bio-LS-TENG 的制备过程示意图；
图 3、（a）芦苇叶的光学图像；（b）芦苇叶表面的扫描电镜（SEM）图像；（c）不同取向芦苇叶的水接触角和滑动角；（d）芦苇叶表面微观结构示意图；（e）生物膜表面的 SEM 图像；（f）所有薄膜在不同取向的水接触角和滑动角；
图 4、（a）液滴冲击生物膜的动态变化；（b）液滴冲击半生物膜和非生物膜的动态变化；（c）液滴冲击不同薄膜的弹跳速度；（d₁）微沟槽结构诱导液滴非对称回缩的示意图；（d₂）作用于液滴的毛细力示意图；（e）生物膜和非生物膜上液滴滑动速度的比较；（f）液滴在生物膜上的定向滑动行为；
图 5、（a）液 - 固界面发电机制；（b）不同 TENG 在冲击过程中的开路电压；（c）配备水平和垂直取向生物膜的 Bio-L-TENG 在冲击过程中的发电频率；（d）不同 TENG 的电荷转移特性；（e）仿生表面微观结构促进摩擦电荷转移的机制；（f）滑动过程中不同滑动距离下，Bio-L-TENG 和配备非生物膜的对应 TENG 的短路电流；（g）单液滴和多液滴滑动时 Bio-L-TENG 的短路电流；
图 6、（a）Bio-LS-TENG 的发电机制；（b）Bio-L-TENG、S-TENG 和 Bio-LS-TENG 的开路电压；（c）Bio-L-TENG、S-TENG 和 Bio-LS-TENG 的短路电流；（d）Bio-L-TENG、S-TENG 和 Bio-LS-TENG 的电荷转移量；（e）不同角度下 Bio-LS-TENG 的发电性能；（f）不同下落高度下 Bio-LS-TENG 的发电性能；（g）不同液滴体积下 Bio-LS-TENG 的发电性能；（h）2500 s 内 Bio-LS-TENG 的开路电压；
图 7、（a）Bio-LS-TENG 充电电容器的特性曲线；（b）四个 Bio-LS-TENG 串联整流后的开路电压；（c）四个 Bio-LS-TENG 并联整流后的短路电流；（d）微机电系统的光学图像；（e）集成微机电系统电路的示意图；
七、作者信息
作者名单
Wensheng Wang, Chuanlong Han, Dongnan Xu, Huihong Sun, Rongzhi Sun, Fufei Qin, Han Wu*, Zhuangzhi Sun*
通讯作者信息：
Han Wu*: Province Key Laboratory of Forestry Intelligent Equipment Engineering, College of Mechanical and Electrical Engineering, Northeast Forestry University, Harbin, 150000, China; Key Laboratory of Biobased Material Science & Technology, Ministry of Education, Northeast Forestry University, Harbin, 150000, China
E-mail: whan@nefu.edu.cn
Zhuangzhi Sun*: Province Key Laboratory of Forestry Intelligent Equipment Engineering, College of Mechanical and Electrical Engineering, Northeast Forestry University, Harbin, 150000, China; Key Laboratory of Biobased Material Science & Technology, Ministry of Education, Northeast Forestry University, Harbin, 150000, China
E-mail: sunzhuangzhi@nefu.edu.cn
八、论文链接
https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.172661
九、版权声明
本文来源各大出版社论文数据库，版权归文章出版社所有；本文内容采用 AI 辅助整理生成，如有错漏请私信联系；本文仅用于学术分享，转载请注明出处；如需推广本人学术成果和商务合作请私信联系，若有错漏或侵权请私信联系删除或修改！
