人类的持续发展和经济增长需要新的战略以应对巨大的能源挑战。目前化石燃料,如煤炭、石油和天然气仍然是能源的主要来源,然而燃烧化石燃料对环境的污染已经引起了世界的广泛关注。能源短缺是全世界面临的难题,如何高效利用可再生能源已成为全人类的共识,也是当今能源领域的前沿科研热点。以水为载体的蓝色能源,例如潮汐能、波浪动能、热差能等,因其储量巨大且无污染的特点,拥有着巨大的应用前景。对于这种理想能源的开发,传统的方法是利用笨重的水利发电设备进行发电。这种方法虽然可以有效地提取储存在连续水流中的巨大动能,但对相对低频的水能的获取却变得低效。近年来,基于摩擦起电效应和静电感应效应的摩擦纳米发电机(TENG)以及基于蒸发和湿度的水伏能源收集技术因其设计简单、材料选择多样引起了全世界的关注。然而,目前这些低频水能收集技术仍然面临耐候性差,电荷密度低和峰值功率密度小的难题,极大地限制了其实际应用前景。在本文中,在理解水固界面电现象的基础上,我们以液滴能量收集为主要研究对象,旨在通过设计新的材料和电极结构以开发高性能的液滴发电器件,实现具有强耐候性,高功率密度和能量转换效率的电能输出。首先,本文总结了近年来在水固界面的两种电效应:电水动效应和水电效应的基础研究方面的进展,为理解和设计液滴发电器件做基础理论铺垫。第二,受到猪笼草开口部表面的层级结构的启发,本文设计了一种基于超润滑表面的摩擦纳米发电机(SLIPS-IENG),用于收集液滴能量。这种发电机表面上的超润滑层不仅有利于液滴的传输和光学透明,而且可以有效地产生电荷转移。本文证明了,在润滑层厚度低于一个临界值时,液滴和表面的接触起电效应与不存在这种润滑薄膜时的摩擦电效应几乎相同。此外,在实际应用中,这种新型发电机除了可以在低温下保持发电稳定性之外,还展现出许多其他独特优势,例如高光学透明度、可配置性、自清洁性和灵活性。第三,受到场效应晶体管独特结构的启发,本文开发了一种新型的类晶体管结构的液滴发电机(TIDE-G)。在这种新型结构中,聚四氟乙烯/氧化铟锡,铝电极和水滴可以分别类比为晶体管中的源极,漏极和门极。同时,聚四氟乙烯驻极体在受到连续的液滴撞击后,获得捕获高密度的表面电荷,为有效地电荷转移提供了一个理想的电荷源。此外,本文证明了独特的晶体管结构设计把基于表面效应的开路系统转化为液体、介电层与电极之间的闭合回路,突破了传统水能收集器件的弊端,大大提高转化效率,并且实现电荷在电极之间的可逆转移,确保长期的输出稳定。综上所述,本文对高性能的液滴发电机进行了系统的研究。基于超润滑表面的摩擦纳米发电机可以在很宽的环境温度区间下表现出相当的电能输出。这种耐候性为设计强大和多功能的液滴发电机提供了一个范式的转变。此外,类晶体管结构的液滴发电机,从根本上突破了传统方法固有的物理限制,克服了低效的界面摩擦起电效应,实现了功率密度和能量转换效率的大大提高。我们相信,本文在高性能的基于液滴的发电机方面的工作,将对界面电现象的基本理解产生重要的启发,并且引领高性能液滴发电机的设计及广泛应用。