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

  濕基發電機作為一種新型綠色離網能源采集技術,在光照少、濕度大的山區和森林地區具有獨特的優勢。然而,現有設計仍然存在輸出功率密度低的問題,并且冬季結冰也會對器件產生負面影響。在器件中添加鹽離子是一種常見的防凍策略,但它會大大縮短德拜長度,導致離子選擇性傳輸較差,削弱器件的發電性能。因此,如何定制功能材料的物理和化學性能并創新結構設計策略以實現高輸出功率和優異防凍性能的平衡仍然具有挑戰性。


圖1 器件的設計思路和低溫發電性能


  近期,西南交通大學機械工程學院摩擦學研究所楊婷婷副研究員將離子水凝膠與離子二極管結構相結合,制備出兼具高發電性能和良好抗凍性的濕基發電機。 通過實驗和模擬發現,發電性能與離子整流特性密切相關。水凝膠聚合物網絡上修飾大量磺酸基,解離后提供具有高表面電荷的納米級孔,有利于實現高效整流和高功率輸出。通過在水凝膠中添加具有優異吸濕和抗凍性能的LiCl,進一步提高了器件的發電和抗凍性能。重要的是,由于水凝膠網絡對LiCl的親和性,LiCl的添加并沒有削弱離子二極管的整流特性,從而實現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℃)下連續高性能發電。該工作以“Efficient and cold-tolerant moisture-enabled power generator combining ionic diode and ionic hydrogel”為題發表在《Materials Horizons》上(DOI: 10.1039/D3MH01496G)。文章第一作者是西南交通大學碩士研究生房嘉豪。該研究得到四川省自然科學基金委和西南交通大學科學技術發展研究院的支持。 


圖2 器件的應用展示


  該工作是楊婷婷副研究員與合作者近期關于濕基發電相關研究的最新進展之一,F有的濕基發電器件存在輸出功率密度低、輸出時間短的問題。為此創新納米流道結構與界面結構設計,開發高性能的濕基發電器件及自供電傳感集成系統。在過去的兩年中,設計并制造了基于離子二極管結構的長壽命濕基發電器件(Nature Communications,2022,13:3484),基于多級孔結構的多模態濕基發電器件(Advanced Energy Materials,2022,12,2202634),基于涂覆工藝的柔性濕基發電陣列器件(Advanced Functional Materials,2023,2311465),基于離子二極管結構的寬鹽度范圍發電器件(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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(責任編輯:xu)
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