摩擦纳米发电机作为一种新兴的环境能量转换与传感技术，因结构灵活、可低频起效、兼具发电与传感能力等优势，近年来迅速发展为多源能量采集、低功耗感知、海洋污染处理等交叉前沿的重要技术支撑手段。《摩擦纳米发电机在海洋科学与工程中的应用》全面总结了摩擦纳米发电机在海洋工程领域的基础理论、关键器件设计、能量集成机制及工程应用路径，覆盖波浪能、海流能、振动能等典型可再生能源的摩擦电采集与转换，系统阐述了其在水下流场感知、船舶姿态监测、液位探测、水下通信及海洋污染控制等实际场景中的多模态功能拓展，构建了从原理建模到系统集成的理论技术框架，具有鲜明的交叉性、前瞻性和系统性。《摩擦纳米发电机在海洋科学与工程中的应用》为构建新一代海洋分布式自供能网络、智能传感系统和绿色防护方案提供了系统指导，具有显著的经济效益和社会效益潜力。

目录
前言
第1章 概论 1
1.1 引言 1
1.2 摩擦纳米发电机的发展概况 2
1.2.1 技术起源 2
1.2.2 技术发展阶段与关键突破 3
1.2.3 代表性进展汇总 5
1.3 TENG在海洋工程中的应用价值和潜力 7
1.4 全书架构与内容简介 8
参考文献 9
第2章 摩擦纳米发电机的基础理论 11
2.1 引言 11
2.2 理论基础 12
2.2.1 CE发生的原子间距条件 13
2.2.2 CE电荷转移受体与驱动力 15
2.2.3 液-固界面CE效应与双电层的形成 17
2.3 TENG理论建模与数理分析 18
2.3.1 接触分离式 18
2.3.2 水平滑动式 25
2.3.3 单电极模式 26
2.3.4 *立层模式 26
2.3.5 滚动模式 27
2.3.6 纳米发电机的基础理论与麦克斯韦方程组的拓展 27
2.4 TENG的性能评价与优化 29
2.4.1 评价方法和衡量指标 29
2.4.2 介电材料摩擦电序列的量化 31
2.4.3 材料选择与优化 31
2.4.4 结构设计 34
2.4.5 电路管理 35
参考文献 37
第3章 基于摩擦纳米发电机的波浪能收集 39
3.1 引言 39
3.2 波浪能摩擦纳米发电机的主要构型 40
3.2.1 多层结构 40
3.2.2 通道结构 43
3.2.3 转动结构 48
3.2.4 弹性结构 53
参考文献 58
第4章 基于摩擦纳米发电机的海流能收集 60
4.1 引言 60
4.2 海流能摩擦纳米发电机的分类 61
4.2.1 刚性结构摩擦纳米发电机 61
4.2.2 柔性结构摩擦纳米发电机 68
4.2.3 仿生结构摩擦纳米发电机 74
4.3 海流能摩擦纳米发电驱动的自供电水下观测系统 78
参考文献 82
第5章 复合式发电机及复合能源收集 83
5.1 引言 83
5.2 摩擦-电磁复合型波浪能收集 84
5.2.1 钟摆结构 84
5.2.2 滚动结构 89
5.2.3 旋转结构 93
5.2.4 磁悬浮阻尼结构 97
5.3 摩擦-电磁复合型海流能收集 98
5.4 波浪能-风能复合能量收集 101
5.5 波浪能-太阳能复合能量收集 103
5.6 其他复合能量收集 105
参考文献 108
第6章 基于摩擦纳米发电网络的大规模蓝色能源收集 111
6.1 引言 111
6.2 波浪能摩擦纳米发电机组网 111
6.2.1 平面发电网络 112
6.2.2 立体发电网络 119
6.2.3 TENG网络的输出能量管理 122
6.3 海流能摩擦纳米发电机组网 125
6.4 未来展望 131
参考文献 132
第7章 基于摩擦纳米发电机的振动能收集 135
7.1 引言 135
7.2 船舶机械振动能收集 136
7.2.1 介电球型振动能量收集装置 136
7.2.2 弹簧辅助结构振动能量收集装置 144
7.2.3 附加质量膜结构振动能量收集装置 154
7.2.4 柔性介电层振动能量收集装置 163
7.2.5 环形钻杆振动能量收集装置 174
7.3 船舶机械噪声能收集 185
7.3.1 亥姆霍兹谐振结构噪声能收集装置 185
7.3.2 多管亥姆霍兹谐振结构噪声能收集装置 193
7.3.3 四分之一波长谐振器辅助的噪声能收集装置 200
7.4 结论与展望 204
参考文献 205
第8章 基于摩擦纳米发电机的海洋环境感知 209
8.1 引言 209
8.2 波浪自驱动感知 209
8.3 流动自驱动感知 215
8.3.1 海流流速感知 215
8.3.2 流场中微扰感知 219
8.4 风速自驱动感知 229
8.4.1 旋转风杯式风速感知 229
8.4.2 颤振薄膜式TENG风速感知 235
8.5 海洋生化参数感知 241
参考文献 254
第9章 基于摩擦纳米发电机的船舶环境感知 256
9.1 引言 256
9.2 船舶机械振动感知 257
9.2.1 谐振式船舶振动传感器 257
9.2.2 非谐振式船舶振动传感器 264
9.3 船舶姿态感知 270
9.3.1 基于TENG的船舶姿态传感器 270
9.3.2 TENG辅助式船舶姿态传感器 274
9.4 船舶液位感知 277
9.4.1 基于固-液摩擦纳米发电机的液位传感 277
9.4.2 基于固-固摩擦纳米发电机的液位传感 281
9.4.3 基于液-液摩擦纳米发电机的液位传感 284
9.4.4 基于摩擦纳米发电机的双模态液位传感 286
参考文献 288
第10章 基于摩擦纳米发电机的水下触觉感知 290
10.1 引言 290
10.2 仿海豹胡须触觉传感器 291
10.2.1 海豹胡须触觉感知机制 291
10.2.2 基于海豹胡须触觉感知机制的摩擦电仿生传感器设计 295
10.2.3 仿海豹胡须传感器在水下流场感知中的应用 296
10.3 人工侧线传感器 299
10.3.1 鱼类侧线感知机制 299
10.3.2 基于摩擦纳米发电机的人工侧线传感器 301
10.3.3 基于人工侧的水下环境感知 302
10.4 仿触手型触觉传感器 304
10.4.1 仿触手型触觉感知机制 304
10.4.2 基于摩擦纳米发电机的仿触手型触觉传感器 309
10.4.3 仿触手型触觉传感器在实际作业中的应用 311
10.5 总结 317
参考文献 319
第11章 基于摩擦纳米发电机的水下无线通信 321
11.1 引言 321
11.2 基于摩擦纳米发电机的水下声学通信 322
11.2.1 水下声学换能器 322
11.2.2 低频声学信号接收器 327
11.2.3 高频声学信号接收器 331
11.3 基于摩擦纳米发电机的水下光学通信 335
11.3.1 水下光-机-电耦合系统 335
11.3.2 光信号调制器 341
11.3.3 光信号人机互动系统 345
11.4 基于摩擦纳米发电机的水下电场通信 350
11.4.1 麦克斯韦位移电流通信 350
11.4.2 基于空间体积效应的水下电场通信性能提升 354
11.4.3 电场通信的人机交互应用 358
11.5 摩擦纳米发电机用于水下无线通信的挑战与展望 364
11.6 总结 365
参考文献 366
第12章 基于摩擦纳米发电机的海洋污染治理与材料防护 368
12.1 引言 368
12.2 TENG在油液处理中的应用 370
12.3 基于TENG的海洋水体杀菌与微生物灭活 378
12.4 基于TENG的海洋金属防护技术 384
12.4.1 TENG驱动的自供电阴极保护技术 384
12.4.2 材料与结构优化增强TENG的金属防腐性能 387
12.4.3 环境能量驱动TENG的海洋防腐应用 391
12.5 总结 394
参考文献 395

第1章 概论
　　1.1 引言
　　海洋覆盖了地球表面积的71%，不仅蕴含着巨量的可再生能源（又称“蓝色能源”），更是未来信息获取、生态监测和资源开发的核心空间。在“双碳”目标与全球气候治理背景下，开发绿色、高效、环境友好的海洋能源系统，对实现碳中和目标、保障能源安全与推动海洋强国战略具有深远意义。海洋能源形式多样，包括波浪能、潮汐能、海流能、热能、盐差能等。其中，波浪能和海流能因分布广泛、获取连续性好、能量密度高而*具工程开发价值。然而，受限于当前主流能量转换技术如电磁发电与压电发电，对环境适应性差、系统复杂、低频效率低等因素，海洋能在实际利用中面临“高储量、低转化”的结构性矛盾。尤其在非平稳、随机性强的海洋动力场中，传统发电机效率显著下降，难以满足长周期、深远海的自持工作需求。
　　摩擦纳米发电机（triboelectric nanogenerator，TENG）作为一种新型机械能转电能器件，由王中林教授团队于2012年*次发现[1]。TENG基于摩擦起电与静电感应耦合原理，通过两种材料在相对运动过程中的接触与分离引起电荷转移，驱动外部电路，产生电流。该机制赋予TENG极低的启动门槛，适用于低频、小幅、不规则运动，特别契合海洋环境中普遍存在的“高熵机械能”特性。
　　值得强调的是，与传统能源技术单一关注“能量”的视角不同，TENG的提出推动了“能量-信息融合”的新范式。在实现能量采集的同时，TENG本身还能对接触或运动信息进行感知并转化为电信号，为下一代自驱动传感系统（self-powered sensing system，SPSS）提供了核心技术支撑。例如，波浪驱动下的TENG浮标可同时完成电力获取与波高监测；海流牵引下的柔性TENG可识别流速、涡旋、流向等参数信息，构建“感知即发电”的无源检测体系[2，3]。
　　因此，TENG不仅是一种绿色能源技术，更是海洋“智慧化”系统的基础器件，具有以下特点。①可服务于能源获取：波浪能/潮汐能/海流能的低成本收集与补能系统构建；②信息感知：基于机械扰动的流速、波高、风速、水下目标、姿态变化等监测；③智能交互：通过TENG驱动的信号调制、光/声学通信，实现分布式节点的能量-信号协同；④环境防护：借助TENG电场抑制附着生物、杀菌净水、实现防腐等功能性应用。当前，TENG已在实验室层面实现了从功率器件到传感节点，再到智能系统平台的连续跨越。研究者开发了基于TENG的波浪能自驱动传感网络、深海洋流监测浮标、自供电结构健康监测系统、水下通信装置与金属防腐平台等多个原型系统，初步验证了其在极端海洋环境下的多功能适配性与长期可靠性。
　　综上，摩擦纳米发电技术不仅为提高海洋能源开发效率提供了有效路径，更为智能化海洋工程奠定了基础。它打破了传统“发电设备仅供电、传感器仅采数”的边界，以“采能-感知-反馈”一体化特性，开启了蓝色能源从“采集”走向“智慧”的新纪元。本书将系统梳理TENG在海洋工程各场景下的理论基础、系统结构与工程应用，重点强调其在未来海洋能源系统、智能感知网络与绿色防护平台中的融合与演进。
　　1.2 摩擦纳米发电机的发展概况
　　1.2.1 技术起源
　　2012年，王中林教授团队*次报道了一种新型纳米发电装置，通过两种材料的周期性接触与分离，利用摩擦起电和静电感应的耦合效应产生电荷并输出电能，成功点亮了发光二极管（LED），标志着TENG这一新型能源转换机制的诞生。上述研究*次明确证实了TENG能高效地将微弱的机械振动能转换为电能，奠定了TENG技术发展的理论和实验基础。*初报道的TENG结构相对简单，一般由两层不同材料的薄膜构成，通过外力作用周期性地接触分离，从而在电极间产生交变的电势差，进而驱动电流。早期阶段的研究主要聚焦于验证基础理论以及初步优化输出性能，例如，选择摩擦起电序列中差异较大的材料组合，以及通过增大接触面积等策略显著提高TENG的输出电荷量与电压。
　　随着研究深入，TENG的工作机制逐步被系统地梳理与分类。2013年前后，王中林团队系统提出了TENG的四种基本工作模式，即垂直接触分离模式、水平滑动模式、单电极模式和*立层模式。这一分类框架有效规范了TENG的理论分析和结构设计，为研究人员针对不同应用需求选择合适的模式提供了清晰的指导。同时，研究人员开始尝试通过材料改性与表面微纳结构设计，进一步增强摩擦起电效应。例如，通过在材料表面构建微纳结构以显著增加有效接触面积和电荷捕获能力，实现了初步的性能优化。在技术起步阶段（2012～2014年），TENG的研究重心逐渐从*初的原理验证扩展到多种模式的工作机制探索和输出性能提升，为后续的技术进步和应用拓展奠定了关键基础。
　　如图1.1所示，TENG作为一种新型的能量收集与自驱动传感技术，凭借其高灵敏度、轻量柔性、自供电等优势，在多个前沿领域展现出广泛的应用前景。从水下机器人供能，到生物医学中的植入式医疗器械、电子皮肤与智能穿戴，再到自驱动充电单元、柔性电子器件及高压电源等系统，TENG均可实现对环境微弱机械能的高效转换与利用。特别是在可穿戴设备、自主传感网络以及微纳系统中，TENG技术能够突破传统能源依赖限制，推动能源自给型系统的构建，展现出极高的应用价值和技术拓展性。
　　图1.1 摩擦纳米发电机应用前景[4]
　　值得特别指出的是，2014年王中林团队率先提出了通过TENG网络系统采集海洋中分布广泛的机械能（即“蓝色能源”）的构想[5]。该概念设想通过大规模布设多个TENG单元并进行网络化管理，以实现对海洋环境中广域机械能的高效协同收集。这一创新性的设想*次将TENG技术从实验室规模扩展到了宏观能源采集的应用场景，明确了TENG技术在大尺度能量收集应用领域的发展方向，为后续海洋能领域的研究提供了重要的战略引导。
　　1.2.2 技术发展阶段与关键突破
　　自2012年起的十余年间，TENG技术经历了快速发展（图1.2），可大致分为以下阶段。
　　初期探索阶段（2012～2014年）：这一阶段的研究侧重于验证TENG的基本可行性和探索影响输出的主要因素。除了提出四种工作模式外，研究者还解决了将TENG产生的交流脉冲电输出整流储存的问题，使TENG能够为实际电路供电。一系列实验展示了TENG在收集人体运动、机械振动等低频机械能方面的*特优势。这些成果确立了TENG作为新型能源技术的地位，引起了学术界的广泛关注。
　　快速提升阶段（2015～2017年）：随着对TENG工作机制理解的加深，研究重点转向提高输出功率和能量转换效率。在结构设计上，相继出现了多种创新方案，如多层叠堆结构、旋转式和滚动式TENG等。其中，王中林团队于2015年报道的全封闭球形滚动结构TENG是一项代表性突破：通过在一个球形腔体内使带电小球在波浪推动下滚动撞击，实现了对低频海浪能的高效收集[6]。该装置在Advanced Energy Materials等期刊上发表，展示了TENG用于实际海洋波浪能发电的可行性。在材料方面，开发了介电常数更高、耐磨性更好的摩擦材料，并采用表面纳米微结构技术大幅提高了单位面积电荷密度。此外，麦克斯韦位移电流理论被引入解释TENG的输出机制，统一了不同模式TENG的电输出解析模型。这一系列突破使TENG的性能指标成倍提高，为迈向实用化奠定了基础。
　　成熟拓展和产业化阶段（2018年至今）：近几年，TENG技术进入成熟应用探索阶段，研究焦点从提高单机性能拓展到系统集成和多场景应用。一方面，大规模TENG网络和阵列的研究取得进展。例如，2019年Yang等[7]报道了一种高性能TENG自组装网络，可在水波作用下实现多个TENG单元的高效集成输出。他们通过将若干TENG模块封装连接，成功构建了宏观规模的波浪能采集系统，显著提高了总输出功率。另一方面，TENG在海洋环境中的适应性得到初步验证。例如，有研究提出利用液-固接触模式的TENG来应对海浪形态的多变，实现对各种波浪工况的高效适应。又如，将TENG与浮标结构相结合，用实际海浪激发TENG发电的实验也取得成功，证明了TENG装置在真实海况下工作的稳定性。特别是近年来，一些基于TENG的自供能海洋传感器被研发出来。2024年，Pan等[8]构建了一种深海洋流自驱动传感系统，在南海4531m深处成功部署运行，创造了TENG设备工作深度的纪录。该系统利用超灵敏TENG在强压环境下采集洋流能量，实现了0.02m/s极微弱流速的检测，其在深海连续工作验证了TENG的可靠性和实用性。
　　图1.2 摩擦纳米发电技术研究进展[9]
　　1.2.3 代表性进展汇总
　　2012年摩擦纳米发电机的发明是一个重大突破。它表明，摩擦起电不仅是一种产生电荷的方式，还可作为能量转换的驱动力，并为机械传感提供新的方法。在由相对电介质表面上摩擦电荷所产生的静电势差的驱动下，由于静电感应效应，电子在顶部和底部两个电极之间发生交换，从而产生交流电输出。图1.3总结了摩擦纳米发电机发明、发展的主要里程碑及相关进展。
　　图1.3 摩擦纳米发电机发展的主要里程碑事件和进展
　　2014年出现了多项重大里程碑事件。*先，摩擦纳米发电机的4种工作模式被*次确立，其涵盖了日常生活中遇到的大多数机械运动，随后为每种模式开发了相应的基础技术和理论模型。*立摩擦层模式摩擦纳米发电机展现出超过50%的能量转换效率。同年，液-固摩擦纳米发电机的概念被*次提出，随后迅速成为研究热点。该装置还被称为液滴摩擦纳米发电机、水伏发电机或蒸汽梯度发电机，其基本原理是通过水滴与固体接触起电来收集能量并将其转化为电能。2014年还引入了一个令人振奋的概念—“蓝色能源”，即海洋波浪能和环境机械能等可再生能源。这一领域发展迅速，生成的电能目前已能够为航标灯供电。同年，还开展了很多重要的基础研究，揭示了电子转移在接触起电中的作用。
　　2015年，*次提出了摩擦纳米发电机的品质因数，并确立了评估其性能的标准。同年开发了摩擦纳米发电机的第五种工作模式，即滚动模式，它对延长摩擦纳米发电机的使用寿命*为有效。此外，“压电电子学”“摩擦电子学”概念被*次提出。2016年，对摩擦纳米发电机的研究表明，在低频和低触发幅度下，摩擦纳米发电机性能远优于电磁发电机。这是一项颠覆性发现，这一发现为摩擦纳米发电机在多个应用场景中的性能优于电磁发电机奠定了基础。
　　摩擦纳米发电机的正式理论于2017年开始形成。作者团队*次发现摩擦纳米发电机的输出受麦克斯韦位移电流控制，它必须扩展到包括机械驱动的极化。实验发现，摩擦纳米发电机的输出受三个因素的限制：摩擦带电电荷密度、空气击穿和介质击穿。此外，摩擦纳米发电机作为高压电源的第四个主要应用也得到了验证。通过电荷泵技术进一步提高了摩擦纳米发电机表面电荷密度。2018年，接触起电过程中电子转移的*个理论模型被提出，并逐渐成为固体材料间摩擦起电的标准模型。更重要的是，旋转式摩擦纳米发电机产生的电磁辐射被*次观测到，为麦克斯韦方程组的展开式提供了*个实验支持。
　　2019年，王中林院士发表了一篇关于接触起电机制的综述论文，其中提出了三种新效应：界面处原子间电子跃迁诱导的光子发射、摩擦伏特效应以及液-固界面电双层的形成过程。这三种效应随后均在实验中得到验证。同年，“高熵能源”的概念被提出。该年还*次建立了测量方法并量化测量了摩擦电序列。此外，2019年的另一项重要突破是直流摩擦纳米发电机的发明，研究人员利用电极间的静电击穿机制，实现了对接触起电过程中能量的高效收集利用。
　　2020年，摩擦纳米发电机领域取得了三项重要突破。*先，提出了一种量化液-固界面电子和离子转移的方法，明确证明了水可以提供一个电子，并且可以在短时间内直接参与化学反应。更重要的是，这证实了液-固界面上电双层形成的两步模型：初始快速电子转移，随后离子缓慢吸附。其次，在半导体材料的固