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中科院化學(xué)所宋延林研究員/李會(huì)增副研究員/趙志鵬博士 《Nano Energy》:獨(dú)立式雙電極摩擦納米發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)高效液滴能量收集
2023-04-18  來(lái)源:高分子科技
  基于水系統(tǒng)的清潔能源的收集與利用近年來(lái)已經(jīng)取得了巨大進(jìn)展。作為自然界中最常見(jiàn)的水的形式,運(yùn)動(dòng)液滴具有可觀的動(dòng)能,如何高效利用這部分能量成為了值得關(guān)注的問(wèn)題。DBE-TENGsDroplet-based bi-electrode freestanding TENGs, 獨(dú)立式雙電極摩擦納米發(fā)電機(jī))提供了一個(gè)便捷、低成本的收集液滴能量的方法,然而,對(duì)于該類器件的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)理和影響因素尚缺乏系統(tǒng)深入的探究。近日,中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所的宋延林研究員、李會(huì)增副研究員和趙志鵬博士在《Nano Energy》上發(fā)表了題為“Two-orders of magnitude enhanced droplet energy harvesting via asymmetrical droplet-electrodes coupling”的研究論文。作者設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單易制備的獨(dú)立式雙電極摩擦納米發(fā)電機(jī)DBE-TENGs(其介電層包括浸涂法制備與商用的聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物表面等),基于此揭示了DBE-TENGs中電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制,闡釋了位置依賴的電流增強(qiáng)機(jī)理(高達(dá)兩個(gè)數(shù)量級(jí),圖1),并將此機(jī)理應(yīng)用于高效的液滴能量收集。 


圖1. 液滴撞擊到與電極間隙之間不同中心距離位置的電流輸出變化。


 圖2. 液滴撞擊位置與形成的界面電容的不對(duì)稱性。


  為了解釋基于位置增強(qiáng)的電流輸出的機(jī)理,作者結(jié)合液滴撞擊過(guò)程中的鋪展與收縮過(guò)程,構(gòu)建了如圖2的界面電容模型。液滴接觸介電層之前,PTFE內(nèi)部電容的電荷與銅電極形成平衡。而當(dāng)液滴接觸PTFE之后,液滴與PTFE接觸的區(qū)域由于靜電誘導(dǎo)效應(yīng)感應(yīng)出正電荷,打破了之前的平衡,從而形成電流。而形成的界面電容的大小與液滴在兩個(gè)電極上鋪展的面積相關(guān),于是,根據(jù)觀測(cè)不同撞擊位置液滴的鋪展面積就可以計(jì)算得到界面電容的大小關(guān)系。 


圖3. 液滴撞擊過(guò)程中的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制。


  根據(jù)電容的關(guān)系,作者進(jìn)一步推導(dǎo)出了電荷轉(zhuǎn)移數(shù)目隨不同撞擊位置的變化規(guī)律(圖3)。推導(dǎo)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果很好地吻合。同時(shí),作者還對(duì)不同液滴撞擊位置中的電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程進(jìn)行了模擬,模擬結(jié)果也證實(shí)了之前的推論。該研究解釋了液滴在DBE-TENGs上的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制,也揭示了液滴撞擊不同位置時(shí)鋪展面積相同但其界面電容上感應(yīng)的電荷差異巨大的原因。


  將上述的發(fā)現(xiàn)應(yīng)用到液滴能量收集中,作者展示了在相同的液滴狀態(tài)和收集裝置下,僅僅改變液滴的撞擊位置就能夠顯著提高液滴能量收集的效率(圖4),這為液滴摩擦電能量收集提供了高效的新途徑。 


圖4. 雨滴能量收集的差異對(duì)比。


  原文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285523000496


通訊作者簡(jiǎn)介:

宋延林

中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所研究員,綠色印刷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任,中國(guó)科學(xué)院大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授。中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)、中國(guó)印刷技術(shù)協(xié)會(huì)、中國(guó)感光學(xué)會(huì)、中國(guó)微米納米技術(shù)學(xué)會(huì)常務(wù)理事;國(guó)際電工協(xié)會(huì)印刷電子工作組專家,Research、Droplet 副主編, J. Mater. Chem. C、Infomat、Giant、Carbon Energy 等期刊編委。主要從事光電功能材料、納米材料與綠色印刷技術(shù)研究。作為首席科學(xué)家或項(xiàng)目負(fù)責(zé)人主持國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)研究計(jì)劃等項(xiàng)目30余項(xiàng)。已發(fā)表SCI 收錄論文500余篇,H指數(shù)100,被引用35,000余次,并多次被Nature、Science 等作為研究亮點(diǎn)報(bào)道。主持和參加編寫(xiě)英文專著15部,中文專著2部;獲授權(quán)中國(guó)發(fā)明專利100余項(xiàng),美國(guó)、日本、歐盟、韓國(guó)等授權(quán)發(fā)明專利26項(xiàng)。獲 2008年和2005 年國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng),2016年北京市科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng);2006 年獲國(guó)家杰出青年科學(xué)基金資助。先后獲中國(guó)青年科技獎(jiǎng)、中國(guó)化學(xué)會(huì)-阿克蘇諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)、IEC1906獎(jiǎng)、中科院杰出青年、中國(guó)科協(xié)求是杰出青年成果轉(zhuǎn)化獎(jiǎng)、畢昇印刷技術(shù)獎(jiǎng)和中華印制大獎(jiǎng)等。入選首批科技北京領(lǐng)軍人才、中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才、萬(wàn)人計(jì)劃、國(guó)家百千萬(wàn)人才工程及全國(guó)優(yōu)秀科技工作者等。



李會(huì)增

碩士生導(dǎo)師,中科院化學(xué)所副研究員,主要從事功能材料圖案化、表面浸潤(rùn)性和液滴操控相關(guān)研究。先后承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、青年項(xiàng)目、中科院青促會(huì)、博新計(jì)劃、企業(yè)合作研發(fā)項(xiàng)目等。以第一/通訊作者在Angew. Chem. Int. Edit., Nat. Commun., Sci. Adv., Proc. Natl. Acad. Sci.等期刊發(fā)表論文20余篇。


第一作者簡(jiǎn)介:



趙志鵬

于2022年在中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所獲得博士學(xué)位,師從宋延林研究員。研究興趣是液滴操縱,三相界面調(diào)控與液滴能量的收集。目前于香港大學(xué)從事博士后研究。

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(責(zé)任編輯:xu)
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