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作用理念

【美高梅登录中心】梯度掺杂的聚合物飞米线湿气发电机,湿气作为大自然和生物进度中何奇之有存在的财富正被用来发电

随着能源危机和环境问题的日益加剧,绿色、可再生能源器件的研究和应用得到了全球的广泛关注。其中,太阳能、热能、机械能、风能、生物电化学能源等陆续被用来发电,在自供电系统和可穿戴领域有广泛的应用前景。然而,上述能源形式在应用上仍然有较多限制,例如太阳能发电装置需要持续光照;摩擦或者压力发电需要持续的相对运动,对材料与装置的机械性能要求较高。

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美高梅登录中心 ,最近,湿气作为自然界和生物过程中广泛存在的资源正被用来发电,扩展了自然界中可用来发电的资源。然而,目前湿气发电主要是依靠碳纳米材料与水的相互作用实现的。例如,曲良体等人将氧化石墨烯薄膜通过电化学方法处理后,膜上下表面的含氧官能团呈现出一种可控的梯度分布状态。这种含氧官能团的梯度分布结构,使薄膜一旦接触湿气,上下表面的湿度也会呈现出梯度排布,这会引发正负电荷分离并发生定向移动,从而使上下表面产生0.2V的电势差。但是,碳纳米材料的宏量制备难度较大、成本较高,复杂的器件结构也影响了大规模应用。低成本、高性能的湿气发电材料与器件研发依然是该领域研究的重点与难点。

梯度掺杂的聚合物纳米线湿气发电机

另一方面,在自然界中,很多生物体及人体生理过程中伴随着基于体液/组织液的生物电现象。例如,树液在树干中自下往上运输会产生流动电势;细胞膜由于内外离子及浓度差异,存在跨膜电势。尽管生物质产量巨大,成本低廉且绿色可再生,利用生物基材料与水/湿气的相互作用制备发电装置,仍然具有很大的挑战。

能源与环境的相关问题一直激励着科研人员对新能源材料及其相关器件的开发。寻找简单、高效的可再生能源,实现能源和社会的可持续发展在当今社会显得非常重要。具有官能团梯度的湿气发电材料出现或将开启能源领域的一个新研究方向。通过材料中固定的官能团梯度,借助湿气使得材料官能团上较小离子解离并在浓度梯度差的驱使下迅速定向移动,从而产生电压和电流输出。

近日,中国科学院青岛生物能源与过程研究所李朝旭研究组发现:生物质纳米纤维(纤维素纳米纤维、蚕丝纳米纤维、甲壳素纳米纤维、Amyloid纳米纤维等)气凝胶具有良好的空气吸湿性能。这主要是因为一方面生物基纳米纤维材料表面具有丰富的亲水基团;另一方面基于开尔文毛细冷凝原理,纳米纤维的小尺寸效应和气凝胶的层级孔道结构更有利于蒸汽的凝结。因此,当具有一定湿度的气流通过该气凝胶时,蒸汽会以结合水和自由水的形式被气凝胶捕获,纤维表面羧基等基团解离进而在纤维表面形成双电层,气凝胶前后具有湿度差,前端湿气冷凝与后端的水分蒸发达到平衡,气凝胶内部表面和孔道中的溶液流动形成流动电势,从而制成生物基纳米纤维气凝胶湿气发电机。进一步研究表明该发电机基本符合斯莫鲁霍夫斯基流动电势公式。

【美高梅登录中心】梯度掺杂的聚合物飞米线湿气发电机,湿气作为大自然和生物进度中何奇之有存在的财富正被用来发电。研究人员以具有高比表面积、纵向传输通道的梯度掺杂碳基纳米线为基础材料,将通过浓度控制电沉积技术构建的梯度掺杂碳基纳米线用于湿气发电。这种具有离子梯度分布加上其本身独特的一维纳米线结构使得水分子的更好地收集和扩散,以及纳米线内的离子更容易快速迁移。制备出的单根GDNw纳米湿气发电机在湿气变化的条件下,能够产生高达75
mV的输出电压和103.13
mWcm-2的输出功率。后期研究人员又将GDNw进行垂直整合,制备出具有梯度掺杂的纳米线阵列,这种阵列结构就像许多并联连接的纳米线电池一样能够使得电流输出和功率有大幅的提升。GDNa相较于单根的GDNw纳米发电机器件而言,轻微的湿气刺激就可以产生140nA的输出电流。这种结构的设计,使得GDNa纳米发电机器件在保有高比表面积纳米材料性质的同时,电能的输出得到了大幅度的提高,从而满足了宏观设备对更高能量的需求。该工作为在自供电设备和传感系统中提供了全新的制备方法与设计思路。

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本研究制备的生物基纳米纤维气凝胶发电器件具有成本低、生物相容高、可降解等诸多优点,并且生物纳米纤维可以利用农林与渔业废弃物为原料制备。该器件适于小型可穿戴电子器件的供电,而且由于人体活动有湿气产生,其发电信号可能与活动剧烈情况密切相关,有望用于自供电健康监测器件。该研究发表于近期的《先进功能材料》杂志上。

相关研究工作以Gradient doped polymer nanowire for moistelectric
nanogenerator
为题,已于近日发表在国际著名期刊《纳米能源》上。文章第一作者为北京理工大学聂肖威博士,通讯作者为北京理工大学陈南教授和曲良体教授。该研究工作得到了国家自然科学基金、北京市自然科学基金等基金项目的支持。

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