現(xiàn)代溫室的有效運行需要大量能源來滿足供暖、制冷、通風、灌溉、自動化和監(jiān)控等功能。建立可持續(xù)的能源供應系統(tǒng)對于智能化溫室環(huán)境管理至關重要。而與傳統(tǒng)能源相比，綠色環(huán)保能源更有利于保護農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境。雖然很多溫室已使用各種光伏設備來收集太陽能，但其并不總適用于中高緯度地區(qū)或降雨充足的地區(qū)，尤其是在全年多雨的海洋或熱帶氣候地區(qū)。因此，在陰雨天進行能量收集可能是這些地區(qū)建立可持續(xù)能源供應系統(tǒng)的關鍵。

浙江大學平建峰研究員等人報道了一種透明、超疏水、自清潔的用于雨滴能量收集的摩擦納米發(fā)電機（RDE-TENG）。作者將最常見的溫室薄膜氟化修飾為超疏水的負電層材料，以構(gòu)建RDE-TENG。此外，作者還采用了一種改進的結(jié)構(gòu)，避免了液-固界面的界面屏蔽效應，從而促進了電荷轉(zhuǎn)移。該RDE-TENG具有高電壓和穩(wěn)定的輸出，可作為溫室環(huán)境監(jiān)測裝置的可靠電源，有助于實現(xiàn)環(huán)境的智能控制并指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程。因此，它具有替代傳統(tǒng)能源的潛力，有助于實現(xiàn)自供電的智能溫室種植模式。該研究以題為“Highly Efficient Raindrop Energy-Based Triboelectric Nanogenerator for Self-Powered Intelligent Greenhouse”的論文發(fā)表在《ACS nano》上。

【超疏水薄膜的設計】

構(gòu)建具有雨滴能量收集功能的 RDE-TENG 的有效方法是開發(fā)超疏水和負電表面。聚乙烯 (PE) 薄膜是溫室中最常見的覆層材料，具有出色的負摩擦帶電性。作者通過電感耦合等離子體刻蝕和低表面能層沉積將其作為超疏水表面，并旋涂上透明導電聚合物涂層。內(nèi)層PE膜表面作為下電極，附著在外表面的超薄銅電極作為上電極，用于收集由落下的雨滴引起的摩擦電能。在這種設計下，摩擦電荷的產(chǎn)生不再是通過下電極和薄膜之間的靜電感應過程，而是通過與上/下電極和薄膜的體效應。因此，界面可以有效避免屏蔽效應，從而實現(xiàn)有效的摩擦電荷轉(zhuǎn)移。

圖1 PE薄膜的形態(tài)特征

圖2 PE薄膜的超疏水性和透光率

【RDE-TENG的輸出性能】

作者構(gòu)建了一個簡單的裝置來模擬降雨過程。結(jié)果表明，RDE-TENG的輸出性能與水滴下落高度相關。超疏水的表面有利于水滴的快速滑動，從而轉(zhuǎn)移更多的感應電荷。氟元素還增強了薄膜表面的摩擦電負性，有利于在液固接觸帶電過程中獲得電子。無論水滴下落頻率如何增加，每一個水滴都可以快速滑離表面，表面電荷會迅速進入飽和狀態(tài)，從而導致更多的轉(zhuǎn)移電荷。因此，無論降雨量如何，具有超疏水表面的RDE-TENG 在下雨天都表現(xiàn)出良好的性能。作者還研究了不同 pH 值的雨水對 RDE-TENG 的影響。溶液越酸，RDE-TENG 的輸出性能越差。這是因為溶液中H+的濃度隨著酸度的增加而增加，導致溶液的電導率增加。不過RDE-TENG 的輸出電壓在所有 pH 范圍內(nèi)均大于 60 V，這揭示了其從不同 pH 值的雨滴中收集能量的巨大潛力。

圖3 RDE-TENG在不同降雨特征參數(shù)下的輸出性能

【RDE-TENG 的實際應用】

利用水滴撞擊薄膜表面時產(chǎn)生的交流電，作者通過整流橋給10μF電容充電，從而實現(xiàn)為定時器供電。連續(xù)滴水約3分鐘后，電容器充電至約 6 V，RDE-TENG可成功驅(qū)動定時器約 12 秒。因此，該RDE-TENG可以收集雨滴能量來穩(wěn)定、持續(xù)地為小型電子設備供電。考慮到環(huán)境溫濕度對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重大影響，作者構(gòu)建了一個自供電的溫室溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。作者將不帶電池的溫度和濕度傳感器放置在溫室中，以監(jiān)測對植物生長至關重要的環(huán)境參數(shù)。傳感器由 RDE-TENG 充電的電容器供電，監(jiān)測參數(shù)通過藍牙即時傳輸?shù)绞謾C。藍牙連接成功后，人們可以通過手機隨時查看溫室內(nèi)的溫濕度。如發(fā)現(xiàn)異常波動，可立即采取降溫、加溫、遮蔭、噴灌等措施，將溫濕度恢復到有利于植物生長的范圍。

圖4 RDE-TENG 的實際應用

總結(jié)：作者構(gòu)建了一種透明、超疏水和自清潔的 RDE-TENG 以實現(xiàn)自供電的智能溫室系統(tǒng)。該RDE-TENG 具有高且穩(wěn)定的電輸出，可作為溫室環(huán)境監(jiān)測設備的可靠電源。RDE-TENG使得人們能夠及時采取措施，將環(huán)境參數(shù)恢復到有利于植物生長的范圍，這對指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。該研究為在農(nóng)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代通過各種電子器件構(gòu)建可持續(xù)的、自給自足的智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)提供了新的思路。