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北化尹梅貞教授教授團(tuán)隊(duì)《ACS AMI》：自發(fā)且持續(xù)的濕度驅(qū)動(dòng)振蕩器用于能量收集
2022-09-01  來源：高分子科技

  水蒸氣作為自然界中廣泛存在的清潔能源，如何將其自發(fā)且持續(xù)的轉(zhuǎn)化為電能是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。軟體驅(qū)動(dòng)器因其能夠?qū)⑼獠看碳ぴ吹哪芰哭D(zhuǎn)化為宏觀形變的機(jī)械能而被廣泛研究。這為水蒸氣的能量轉(zhuǎn)化提供了方向。因此，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種能夠在水蒸氣的刺激下，自發(fā)且持續(xù)的實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化的軟體驅(qū)動(dòng)器是難點(diǎn)之一。


  近日，北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院尹梅貞教授教授團(tuán)隊(duì)基于濕敏性聚合物瓊脂糖和有機(jī)染料螺吡喃制備了一種能夠在水蒸氣刺激下自發(fā)且持續(xù)振蕩的軟體驅(qū)動(dòng)器；并且該驅(qū)動(dòng)器具有優(yōu)異的光致變色和微弱的水蒸氣誘導(dǎo)變色現(xiàn)象；最終實(shí)現(xiàn)了自發(fā)且持續(xù)的電能輸出及可光控智能窗戶系統(tǒng)（圖1）。 


圖1：不同厚度、尺寸及負(fù)載重物下的濕度驅(qū)動(dòng)自振蕩模型圖；智能光控窗戶系統(tǒng)和持續(xù)發(fā)電模型圖。


  通過研究不同厚度、不同尺寸及不同負(fù)載重物的條件下，水蒸氣驅(qū)動(dòng)的自振蕩行為。結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著厚度增加，軟體驅(qū)動(dòng)器的自振蕩行為變?nèi)酰穹冃；反之，薄膜的力學(xué)性能增強(qiáng)，這是導(dǎo)致其水蒸氣驅(qū)動(dòng)效果變差的關(guān)鍵因素（圖2）。 


圖2：不同時(shí)刻下，不同厚度SP@AG膜（20 × 4 mm）的濕度驅(qū)動(dòng)自振蕩運(yùn)動(dòng)截圖及應(yīng)力應(yīng)變曲線。


  隨著尺寸的增大，濕度驅(qū)動(dòng)自振蕩的行為變的更加優(yōu)異，這是由于薄膜與水蒸氣的接觸面積成倍增加，使得所受到的濕度驅(qū)動(dòng)力增大而導(dǎo)致的。最大震蕩幅度可達(dá)98°（圖3）。 


圖3：40 mm × 8 mm × 60 μm的SP@AG膜在水蒸氣驅(qū)動(dòng)下不同時(shí)刻的自振蕩運(yùn)動(dòng)截圖。


  薄膜重22.4 mg，當(dāng)薄膜尖端負(fù)載重物達(dá)116 mg（約膜重的5.2倍）時(shí)，濕度驅(qū)動(dòng)的自振蕩效果最佳，震蕩幅度跨越180°（圖4）。


圖4：40 mm × 8 mm × 60 μm的SP@AG膜尖端負(fù)載116 mg重物時(shí)水蒸氣驅(qū)動(dòng)自振蕩行為。


  綜上所述，薄膜尺寸增大或負(fù)載一定重物都有利于濕度驅(qū)動(dòng)自振蕩運(yùn)動(dòng)的增強(qiáng)，這種具有優(yōu)異的自發(fā)和持續(xù)的運(yùn)動(dòng)方式有利于實(shí)現(xiàn)電能的持續(xù)輸出，實(shí)現(xiàn)了約30 mV電壓的輸出；并且優(yōu)異的變色和濕敏性質(zhì)使其適用于調(diào)節(jié)室內(nèi)外濕度及保護(hù)隱私的智能光控窗戶系統(tǒng)（圖5）。 


圖5：應(yīng)用：智能光控窗戶系統(tǒng)和持續(xù)電能輸出。


  這項(xiàng)研究工作不同于以往的濕度驅(qū)動(dòng)的軟體驅(qū)動(dòng)器無規(guī)翻滾的運(yùn)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)了自發(fā)且持續(xù)的振蕩運(yùn)動(dòng)，并且能夠在濕潤濾紙、手指和環(huán)境濕度波動(dòng)下實(shí)現(xiàn)自發(fā)持續(xù)的振蕩運(yùn)動(dòng)，為水蒸氣的收集利用提供了新的思路。該研究工作以“Spontaneous and Continuous Actuators Driven by Fluctuations in Ambient Humidity for Energy-Harvesting Applications”為題發(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。文章第一作者是北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院碩士生王乾，尹梅貞教授和郭金寶教授為通訊作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金、北京市自然基金等項(xiàng)目的支持。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.2c11944

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