能源是人类赖以生存与发展的基础。煤炭、石油、天然气等传统的化石能源在转化为电能时会伴随着很多环境问题。更加严重的问题是,这些一次能源的储量正在不断减少,而全世界的能源消耗量却在以每年5%的速度持续增长。寻找环境友好的可再生能源作为现有能源的补充是非常迫切的。摩擦纳米发电机（TENG）作为一种新型的能量收集装置,可以收集环境中的各种机械能,如人的运动、风的流动、水滴流动等。TENG的工作机理是接触起电和静电感应效应的耦合,其工作原理可以追溯到麦克斯韦位移电流。TENG具有成本低、重量轻、材料和结构选择多样化、低频率下的能量转换效率高等优点,目前TENG已经在自驱动传感、蓝色能源、微纳米能源和高压电源等领域取得了巨大进展。水滴摩擦纳米发电机（WD-TENG）,由于取材方便,固-液界面摩擦小而受到科研人员的广泛关注。但是,WD-TENG的发展和应用受到以下因素的制约。1.水滴的电荷密度小,限制了WD-TENG的输出性能和实际应用。2.WD-TENG一般是交流输出。它们需要整流器或电源管理电路来驱动电子设备,这会导致额外的能量损失。3.WD-TENG的输出性能高度依赖摩擦电材料的表面润湿性。当摩擦材料表面被浸润,WD-TENG的输出性能会急剧下降。因此,提高水滴电荷密度,实现单向输出,减少对润湿性的依赖是WD-TENG实际应用面临的挑战。为了减小WD-TENG对摩擦材料的疏水性的依赖,实现直流输出,增加水滴的电荷密度。在本文中,我们提出了电压激励的方式。采用环状的金属浮置层代替传统的摩擦层。在WD-TENG的工作过程中环状的金属浮置层持续地被注入电荷。水滴通过静电感应而具有较高的电荷密度,主要分为以下几部分:（1）首先,在第二章中,我们制备了旋转盘独立层式摩擦纳米发电机（RF-TENG）激励的WD-TENG,该装置由RF-TENG、倍压电路和水滴控制系统组成。通过倍压电路对RF-TENG的输出电压进行升压,升压后的输出电压与注射器喷嘴外面的铜环连接,喷嘴下面有用于测量水滴带电量的铜电极。水滴与铜电极组成单电极模式的WD-TENG。实验结果表明,当RF-TENG转速为300 rpm,倍压整流电路为6倍压电路,水滴体积为62.50μL,流速为0.31 m L/min,喷嘴到铜电极的距离为1 cm时,水滴的带电量可以达到6320 n C,短路电流为2.12 m A,输出电压为7180 V,最大瞬时输出功率为0.36 W。通过感应起电的方式WD-TENG实现了直流输出,为WD-TENG提供了一种获得直流输出的新方法。同时避免了传统WD-TENG对摩擦层疏水性的依赖（传统WD-TENG主要是通过介电层和水滴摩擦起电）。通过固-液界面的双电层模型,解释了水滴荷电的机制。利用WD-TENG进行了杀菌实验。结果表明,流速在0.31 m L/min时可以使浓度为10~3CFU/m L的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的失活率达到100%。该杀菌方法不引入外部离子,不改变水的酸碱性,处理后可以达到饮用水标准。对自然灾害后的地区,偏远地区和经济不发达地区人们的饮用水安全具有重要的实际意义。WD-TENG的激励电压是通过RF-TENG提供的,需要额外的旋转能量。（2）但是,上述电压激励水滴荷电的系统需要其他形式机械能的输出,限制了其应用范围。为了减少对其他形式机械能的依赖,在第三章中,通过将开尔文滴水起电机与WD-TENG结合,发挥开尔文滴水起电机起电速度快、自驱动、电压高和WD-TENG固-液界面磨损小,对外可以产生能量输出等优点,制备了与开尔文滴水起电机相互激励的WD-TENG。这种WD-TENG利用水滴的重力势能发电,不需要额外的旋转能量输入。基于互激励策略的WD-TENG主要由开尔文水滴起电机和WD-TENG组成。WD-TENG的引入,使得开尔文滴水起电机的起电变得容易,且极性可控。同时,利用开尔文滴水起电机起电速度快,电压高的优点,使得自激励和开尔文滴水起电机电压激励的WD-TENG实现高输出的同时,减小了对介电层疏水性能的依赖。开尔文滴水起电机电压激励的WD-TENG的短路电流可达52.28μA,电荷量为144 n C,输出电压为1760 V,最大瞬时输出功率为54.60 m W。开尔文滴水起电机电压激励的WD-TENG中单滴体积为62.50μL的水的能量可以点亮120个直径为5 mm的LED灯或320个直径为3 mm的LED灯。自激励和开尔文滴水起电机电压激励的WD-TENG的水滴可以带正电荷,也可以带负电荷。此外,开尔文滴水起电机电压激励的WD-TENG是单向输出,不需要外部整流电路,可以直接给电容器充电和驱动LED灯。基于开尔文滴水起电机的自激励和外激励WD-TENG将在微纳米能源收集和自驱动系统中有重要的应用前景。开尔文滴水起电机电压激励的WD-TENG在工作中会受到钢盆容量的限制,钢盆装满水后装置就不再工作。（3）为了让开尔文滴水起电机电压激励的WD-TENG可以连续工作,在第四章中,制备了一种不受钢盆容量限制的开尔文-摩擦一体化自激励WD-TENG。通过将传统开尔文滴水起电机的集水盆改装成了一个中间具有金属（铜）漏斗,外面为金属环（铜环）的结构。根据静电屏蔽的原理电荷会分布在金属环上,而中间的金属漏斗由于静电屏蔽不会带上电荷。开尔文-摩擦一体化自激励WD-TENG单滴水的短路电流达到了85.23μA,转移电荷量为193.09 n C,输出电压为1500 V,瞬时输出功率为109.16 m W。不经过整流电路可以直接驱动800个LED灯。我们制备的开尔文-摩擦一体化自激励WD-TENG解决了容量限制问题,并且输出有了更大的提高,可以持续工作。在水的能量收集方面具有广阔的应用前景。综上所述,通过电压激励的方式,减小了WD-TENG对摩擦材料疏水性的依赖,实现了直流输出,极大地提高了WD-TENG的电荷密度和瞬时功率,对水滴能量收集和发展自驱动系统方面有广阔的应用前景。