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福州大學(xué)賴(lài)躍坤教授團(tuán)隊(duì) AFM:具有寬工作范圍的光輔助多質(zhì)子解離PAAm-PA水凝膠濕驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)
2024-10-30  來(lái)源:高分子科技

  在能源危機(jī)和全球變暖的持續(xù)威脅下,追求可持續(xù)綠色能源已成為一項(xiàng)緊迫的挑戰(zhàn),直接從環(huán)境中獲取能源為此提供了有效的解決方案,基于光伏、壓電、摩擦電和熱電原理的新技術(shù)不斷涌現(xiàn)。鑒于大氣水分的廣泛存在,以及納米材料科學(xué)的發(fā)展,使得水汽誘導(dǎo)發(fā)電(MEG)成為可能,能夠?qū)⑺械幕瘜W(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。由于大氣水分蒸發(fā)的普遍存在及自發(fā)性,濕氣發(fā)電在自供電系統(tǒng)里具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。


  近期,受植物協(xié)同吸收水分和陽(yáng)光進(jìn)行光合作用的啟發(fā),福州大學(xué)賴(lài)躍坤教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)引入具有強(qiáng)電離能力的植酸(PA)和光敏劑,制備高效的光輔助濕氣發(fā)電水凝膠(L-MEGH)。磷酸根基團(tuán)賦予凝膠三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),以改善其機(jī)械性能和質(zhì)子電離能力。在光照-濕氣條件下,能夠?qū)崿F(xiàn)更高的電力輸出,實(shí)現(xiàn)晴天-陰天全天候發(fā)電。PAAGLE凝膠表現(xiàn)出良好的吸濕性(73.1%)、水分保持能力和穩(wěn)定性,能夠在不同濕度環(huán)境中實(shí)現(xiàn)不同的電力輸出性能。在模擬陽(yáng)光強(qiáng)度照射下,輸出電壓從0.675 V增加至0.838 V,增幅達(dá)24%,短路電流(Isc)性能提升50%。此外,制備的復(fù)合凝膠在-20℃下仍能保持0.514 V的電壓輸出,在50℃下能維持0.7 V的電壓輸出,持續(xù)時(shí)間達(dá)45小時(shí)。


圖1. (a)復(fù)合水凝膠結(jié)構(gòu)示意圖,(b-d)不同組分水凝膠及SEM圖片,(e)暴露于陽(yáng)光下,非對(duì)稱(chēng)濕氣誘導(dǎo)發(fā)電結(jié)構(gòu)吸濕-發(fā)電示意圖,(f)不同溫濕度條件下,制備的濕氣發(fā)電設(shè)備連續(xù)產(chǎn)電180 h的電壓輸出。


圖2. (a)水凝膠中H+擴(kuò)散動(dòng)態(tài)照片,(b, c)光敏劑增強(qiáng)水凝膠濕氣發(fā)電性能示意圖,(d)引入光敏劑前后紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)試圖譜,(e)不同組分水凝膠電化學(xué)阻抗圖譜,65%濕度條件下,(f, g)光照對(duì)PAAGL以及PAAGLE輸出電壓的影響,(h, i)光照對(duì)PAAGL以及PAAGLE輸出電流的影響。


圖3. (a)水凝膠底層旋涂PEDOT:PSS保證碳布電極與凝膠緊密接觸,(b)有無(wú)PEDOT:PSS層,凝膠產(chǎn)電性能對(duì)比,(c)本工作與已發(fā)表論文性能對(duì)比,(d)制備的凝膠為可穿戴柔性電子設(shè)備供電,(e)可擴(kuò)展72個(gè)凝膠單元串聯(lián)輸出電壓56.5 V,(f-h)制備的凝膠基濕氣發(fā)電設(shè)備用于小燈泡供電,手機(jī)充電以及測(cè)試心率。


  集成的L-MEGH能夠在可穿戴設(shè)備中為戶(hù)外活動(dòng)的各種設(shè)備供電,包括燈泡、手機(jī)和健康監(jiān)測(cè)器。這為應(yīng)對(duì)日益加劇的能源危機(jī)和減少溫室氣體排放提供了一種創(chuàng)新的綠色能源收集技術(shù)的新方法。


  本工作以“Light-Assisted Polyproton Dissociated PAAm-PA Hydrogel-Based Moisture-Driven Electricity Generator with a Broad Operating Range”為題,發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。論文第一作者為程燕博士(現(xiàn)為中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士后),碩士生楊程為共同第一作者,通訊作者為福州大學(xué)賴(lài)躍坤教授黃劍瑩教授,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)朱天雪教授參與此工作。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金(22375047, 22378068, 22302110, 22075046),國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2022YFB3804905, 2022YFB3804900),福建省自然科學(xué)基金(2022J01568),中國(guó)博士后科學(xué)基金(2023M743437)的支持。


  原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202415533


通訊作者簡(jiǎn)介


賴(lài)躍坤,福州大學(xué)教授\博導(dǎo),國(guó)家科創(chuàng)領(lǐng)軍人才,英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)會(huì)士FRSC。2018-2023連續(xù)入選科睿唯安“全球高被引科學(xué)家”(材料學(xué)科和交叉學(xué)科領(lǐng)域),福建省“閩江學(xué)者”特聘教授,省“杰出青年”基金、“百人計(jì)劃”項(xiàng)目獲得者。長(zhǎng)期從事多相分離與過(guò)濾純化、環(huán)境與能源化工催化、仿生表界面特殊浸潤(rùn)性膜層開(kāi)發(fā)等方面研究。發(fā)表國(guó)內(nèi)外知名期刊上合作發(fā)表SCI論文200多篇, SCI論文引用23000余次,h-index為88。申報(bào)發(fā)明專(zhuān)利50余項(xiàng),包括10項(xiàng)PCT國(guó)際專(zhuān)利,已授權(quán)美國(guó)專(zhuān)利1項(xiàng)和中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利20余項(xiàng)。擔(dān)任國(guó)際化工主流期刊Chemical Engineering Journal期刊Editor, Polymers期刊專(zhuān)題主編(Section Editor-in-Chief),以及Green Energy & Environment, Advanced Fiber Materials, 物理化學(xué)學(xué)報(bào), Nanomaterials和Scientific Reports等期刊編委。


黃劍瑩,福州大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師。致力于功能性紡織纖維材料、油水分離材料、浸潤(rùn)性仿生材料及其多相過(guò)濾分離應(yīng)用研究,主持參與科研項(xiàng)目10余項(xiàng)。在Energy Environ Sci、Adv Mater、Adv Funct Mater、Small、Chem Eng J、J Mater Chem A等期刊發(fā)表論文150余篇,ESI高被引論文20余篇,論文引用15000余次;入選2019-2022年全球高被引科學(xué)家榜單、福建省高層次創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才(B類(lèi))、泉州市高層次創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才(第二層次)等。

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(責(zé)任編輯:xu)
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