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福州大學賴躍坤教授團隊 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)動發(fā)電機
2024-10-30  來源:高分子科技

  在能源危機和全球變暖的持續(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,以及納米材料科學的發(fā)展,使得水汽誘導發(fā)電(MEG)成為可能,能夠?qū)⑺械幕瘜W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)里具有獨特的優(yōu)勢。


  近期,受植物協(xié)同吸收水分和陽光進行光合作用的啟發(fā),福州大學賴躍坤教授團隊通過引入具有強電離能力的植酸(PA)和光敏劑,制備高效的光輔助濕氣發(fā)電水凝膠(L-MEGH)。磷酸根基團賦予凝膠三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),以改善其機械性能和質(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)境中實現(xiàn)不同的電力輸出性能。在模擬陽光強度照射下,輸出電壓從0.675 V增加至0.838 V,增幅達24%,短路電流(Isc)性能提升50%。此外,制備的復合凝膠在-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)時間達45小時。


圖1. (a)復合水凝膠結(jié)構(gòu)示意圖,(b-d)不同組分水凝膠及SEM圖片,(e)暴露于陽光下,非對稱濕氣誘導發(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)電設備連續(xù)產(chǎn)電180 h的電壓輸出。


圖2. (a)水凝膠中H+擴散動態(tài)照片,(b, c)光敏劑增強水凝膠濕氣發(fā)電性能示意圖,(d)引入光敏劑前后紫外可見分光光度計測試圖譜,(e)不同組分水凝膠電化學阻抗圖譜,65%濕度條件下,(f, g)光照對PAAGL以及PAAGLE輸出電壓的影響,(h, i)光照對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PEDOT:PSS層,凝膠產(chǎn)電性能對比,(c)本工作與已發(fā)表論文性能對比,(d)制備的凝膠為可穿戴柔性電子設備供電,(e)可擴展72個凝膠單元串聯(lián)輸出電壓56.5 V,(f-h)制備的凝膠基濕氣發(fā)電設備用于小燈泡供電,手機充電以及測試心率。


  集成的L-MEGH能夠在可穿戴設備中為戶外活動的各種設備供電,包括燈泡、手機和健康監(jiān)測器。這為應對日益加劇的能源危機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)為中國科學技術(shù)大學博士后),碩士生楊程為共同第一作者,通訊作者為福州大學賴躍坤教授黃劍瑩教授,安徽農(nóng)業(yè)大學朱天雪教授參與此工作。該工作得到國家自然科學基金(22375047, 22378068, 22302110, 22075046),國家重點研發(fā)計劃(2022YFB3804905, 2022YFB3804900),福建省自然科學基金(2022J01568),中國博士后科學基金(2023M743437)的支持。


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


通訊作者簡介


賴躍坤,福州大學教授\博導,國家科創(chuàng)領(lǐng)軍人才,英國皇家化學會會士FRSC。2018-2023連續(xù)入選科睿唯安“全球高被引科學家”(材料學科和交叉學科領(lǐng)域),福建省“閩江學者”特聘教授,省“杰出青年”基金、“百人計劃”項目獲得者。長期從事多相分離與過濾純化、環(huán)境與能源化工催化、仿生表界面特殊浸潤性膜層開發(fā)等方面研究。發(fā)表國內(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。申報發(fā)明專利50余項,包括10項PCT國際專利,已授權(quán)美國專利1項和中國發(fā)明專利20余項。擔任國際化工主流期刊Chemical Engineering Journal期刊Editor, Polymers期刊專題主編(Section Editor-in-Chief),以及Green Energy & Environment, Advanced Fiber Materials, 物理化學學報, Nanomaterials和Scientific Reports等期刊編委。


黃劍瑩,福州大學教授,博士生導師。致力于功能性紡織纖維材料、油水分離材料、浸潤性仿生材料及其多相過濾分離應用研究,主持參與科研項目10余項。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年全球高被引科學家榜單、福建省高層次創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才(B類)、泉州市高層次創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才(第二層次)等。

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(責任編輯:xu)
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