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瞿金平院士/盧翔副教授團(tuán)隊(duì)《Adv. Sci.》: 相變反饋和簡(jiǎn)單折紙策略提升發(fā)電和電磁屏蔽效率
2023-03-30  來(lái)源：高分子科技

  隨著全球社會(huì)對(duì)碳排放的限制，太陽(yáng)能因其巨大的總量及可持續(xù)性獲得了廣泛的關(guān)注，將太陽(yáng)能高效轉(zhuǎn)化為電能是解決碳排放重要的方法之一。太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的方法主要有兩種：第一種是通過(guò)光伏電池將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化為電能，如鈣鈦礦太陽(yáng)能電池、有機(jī)太陽(yáng)能電池等；另一種方法是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能，然后通過(guò)熱電裝置將熱能轉(zhuǎn)化為電能。第二種方法簡(jiǎn)單方便，只需要溫度梯度就可以發(fā)電，因此被廣泛用于航空航天、人體等領(lǐng)域。在光熱電轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上，高品位電能的產(chǎn)生需要高的轉(zhuǎn)換效率。雖然熱電材料在過(guò)去30年取得了前所未有的發(fā)展，總的熱電轉(zhuǎn)換效率仍然很低，開(kāi)發(fā)一種新的策略來(lái)提高從能源到電力的總轉(zhuǎn)換效率具有重要的意義。另一方面，熱電器件總是被應(yīng)用于先進(jìn)的低能耗電子產(chǎn)品（如自供電聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、柔性電子產(chǎn)品等）。這些設(shè)備總是暴露在巨大的電磁干擾（EMI）之下，容易出現(xiàn)性能和可靠性下降的情況。因此，開(kāi)發(fā)高電磁屏蔽，同時(shí)基于傳統(tǒng)熱電器件提升發(fā)電質(zhì)量和光熱電轉(zhuǎn)換效率的材料具有廣闊的應(yīng)用前景。


  基于此，華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院盧翔副教授/瞿金平院士團(tuán)隊(duì)在Advanced Science上發(fā)表了題為“Upgrading electricity generation and electromagnetic interference shielding efficiency via phase-change feedback and simple origami strategy”的論文。他們首次采用了一種簡(jiǎn)單的折紙策略來(lái)制備柔性多層相變膜（PCF）。以柔性乙烯-醋酸乙烯/石蠟（EVA/PW）薄膜作為相變層，以MXene/Fe3O4雙層作為光熱和電磁屏蔽層，制備了一系列的PCFs（圖1）。該PCFs在多次折疊后保持了良好的柔韌性，并能在光熱電轉(zhuǎn)換中提供穩(wěn)定而快速的熱能。其光熱電發(fā)電功率輸出高達(dá)138mW，其能量密度（55.2 W/m2）遠(yuǎn)高于以往同類型的材料。其中，該研究首次發(fā)現(xiàn)相變過(guò)程可以輔助提升產(chǎn)生的電力的品級(jí)。而且，在傳統(tǒng)熱電裝置的基礎(chǔ)上，光熱電轉(zhuǎn)換的總效率提高了11.3%。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于有效利用太陽(yáng)能和熱電轉(zhuǎn)換至關(guān)重要。另一方面，通過(guò)簡(jiǎn)單的折紙工藝，PCFs的電磁屏蔽效率可以從39.2dB調(diào)整到71.9dB？偟膩(lái)說(shuō)，本文為多功能材料的制備提供了一種新的策略，采用PCFs作為光收集器，大大提升了產(chǎn)生的電力和光熱電轉(zhuǎn)換效率。PCFs在EMI屏蔽、能量?jī)?chǔ)存和轉(zhuǎn)換方面顯示出廣闊的應(yīng)用前景。


  該材料的制備主要分為三個(gè)步驟（1）在擠出機(jī)中將石蠟和EVA擠出形成長(zhǎng)的片段；（2）片段被多巴胺包覆后，被噴涂上MXene（4 %）和四氧化三鐵（1%，2%，4%）涂層；（3）通過(guò)折疊的方式制備多層復(fù)合材料。 


圖1. 多層復(fù)合相變材料的制備過(guò)程。


  通過(guò)簡(jiǎn)單的折紙工藝獲得的多層 PCFs 的 EMI 屏蔽效率分別為51.6、68.1和71.9 dB，隨著材料層數(shù)的增加而提高。值得注意的是，PCFs 的 EMI 屏蔽效率可以在 39.2 到 71.9 dB 的寬范圍內(nèi)調(diào)整，在不同的場(chǎng)合表現(xiàn)出極大的適用性。此外，PCFs以低含量的填充物 (8 wt%)獲得了極高的電磁屏蔽效率 (71.9 dB)。與報(bào)道過(guò)的具有不同 MXene 含量的電磁屏蔽納米復(fù)合材料相比，該材料具有更高和更寬范圍的可調(diào)諧電磁屏蔽效率。


圖2. 多層復(fù)合相變材料的電磁屏蔽效率及機(jī)理。


  另一方面，該材料在光熱電轉(zhuǎn)換方面也具有優(yōu)異的性能。間歇的模擬太陽(yáng)光被應(yīng)用于光熱電轉(zhuǎn)換中。U-I 曲線顯示，PCF 能夠顯著提高電流、電壓和功率輸出。具體來(lái)說(shuō)，基于 PCF 的光熱電器件產(chǎn)生的平均電壓和電流分別為 236.1 mV 和 136.5 mA，而基于對(duì)照組的器件僅為 185.5 mV 和 110.3 mA。平均電壓和電流輸出均得到明顯提高。此外，對(duì)于持續(xù)電壓和電流，基于PCF的電壓實(shí)現(xiàn)了42.3倍的提升，電流從970 mA提高到46.1 mA（高達(dá)47.5倍），發(fā)電品位明顯提升。更重要的是，輸出功率密度，提高了 2010 倍（從 2.01 μW 提高到 4.04 mW）。同時(shí)，光熱電轉(zhuǎn)換效率提升了11.3%，這種提升可以擴(kuò)展到其他基于熱電效應(yīng)的組件中。對(duì)于提升越來(lái)越困難的熱電組件來(lái)說(shuō)，是一種非常有前景的策略。 


圖3. 基于傳統(tǒng)熱電器件的相變反饋發(fā)電。


  論文鏈接：http://doi.org/10.1002/advs.202206835


作者簡(jiǎn)介


盧翔，華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院副教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)楦叻肿硬牧系墓δ芑男约俺尚图庸ば路椒ā⑿吕碚。目前已以第一或通訊作者?/span>Advanced Functional Materials, Advanced Science, Chemical Engineering Journal, ACS Applied Materials & Interface, Composites Science and Technology, Composites Part A, Composites Part B等具有重要影響力的國(guó)際刊物上發(fā)表SCI論文60余篇，主持承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題等國(guó)家和省部級(jí)科技項(xiàng)目多項(xiàng)。

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