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西南交大楊婷婷等《Mater. Horiz.》: 結(jié)合離子二極管和離子水凝膠的高效耐寒濕基發(fā)電機(jī)
2023-12-29  來源：高分子科技

  濕基發(fā)電機(jī)作為一種新型綠色離網(wǎng)能源采集技術(shù)，在光照少、濕度大的山區(qū)和森林地區(qū)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。然而，現(xiàn)有設(shè)計(jì)仍然存在輸出功率密度低的問題，并且冬季結(jié)冰也會(huì)對(duì)器件產(chǎn)生負(fù)面影響。在器件中添加鹽離子是一種常見的防凍策略，但它會(huì)大大縮短德拜長(zhǎng)度，導(dǎo)致離子選擇性傳輸較差，削弱器件的發(fā)電性能。因此，如何定制功能材料的物理和化學(xué)性能并創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略以實(shí)現(xiàn)高輸出功率和優(yōu)異防凍性能的平衡仍然具有挑戰(zhàn)性。


圖1 器件的設(shè)計(jì)思路和低溫發(fā)電性能


  近期，西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院摩擦學(xué)研究所楊婷婷副研究員將離子水凝膠與離子二極管結(jié)構(gòu)相結(jié)合，制備出兼具高發(fā)電性能和良好抗凍性的濕基發(fā)電機(jī)。 通過實(shí)驗(yàn)和模擬發(fā)現(xiàn)，發(fā)電性能與離子整流特性密切相關(guān)。水凝膠聚合物網(wǎng)絡(luò)上修飾大量磺酸基，解離后提供具有高表面電荷的納米級(jí)孔，有利于實(shí)現(xiàn)高效整流和高功率輸出。通過在水凝膠中添加具有優(yōu)異吸濕和抗凍性能的LiCl，進(jìn)一步提高了器件的發(fā)電和抗凍性能。重要的是，由于水凝膠網(wǎng)絡(luò)對(duì)LiCl的親和性，LiCl的添加并沒有削弱離子二極管的整流特性，從而實(shí)現(xiàn)了高輸出功率和良好抗凍性的出色平衡。因此，器件能夠在寬濕度范圍（15%RH~98%RH）和寬溫度范圍（-20℃~60℃）下連續(xù)高性能發(fā)電。該工作以“Efficient and cold-tolerant moisture-enabled power generator combining ionic diode and ionic hydrogel”為題發(fā)表在《Materials Horizons》上（DOI: 10.1039/D3MH01496G）。文章第一作者是西南交通大學(xué)碩士研究生房嘉豪。該研究得到四川省自然科學(xué)基金委和西南交通大學(xué)科學(xué)技術(shù)發(fā)展研究院的支持。 


圖2 器件的應(yīng)用展示


  該工作是楊婷婷副研究員與合作者近期關(guān)于濕基發(fā)電相關(guān)研究的最新進(jìn)展之一。現(xiàn)有的濕基發(fā)電器件存在輸出功率密度低、輸出時(shí)間短的問題。為此創(chuàng)新納米流道結(jié)構(gòu)與界面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，開發(fā)高性能的濕基發(fā)電器件及自供電傳感集成系統(tǒng)。在過去的兩年中，設(shè)計(jì)并制造了基于離子二極管結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)壽命濕基發(fā)電器件（Nature Communications,2022,13:3484），基于多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的多模態(tài)濕基發(fā)電器件（Advanced Energy Materials,2022,12,2202634），基于涂覆工藝的柔性濕基發(fā)電陣列器件（Advanced Functional Materials,2023,2311465）,基于離子二極管結(jié)構(gòu)的寬鹽度范圍發(fā)電器件（Nano Energy,2023,108:108220），濕電式非接觸傳感器件（Biosensors and Bioelectronics,2024,247,115922）等,基于封裝策略的抗氣體/熱干擾的濕度傳感器件（Sensors And Actuators B,2023,396,134517）。


  原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/mh/d3mh01496g

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