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上海交通大學(xué)沈道智 Adv. Sci.:基于濕氣自發(fā)電效應(yīng)的水下能量收集及器件應(yīng)用策略
2024-10-06  來(lái)源:高分子科技

  上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院沈道智聯(lián)合上海交通大學(xué)密西根學(xué)院王睿、上海工程技術(shù)大學(xué)材料學(xué)院趙健等人利用防水透氣膜和離子化水凝膠制備了可在水下工作的濕氣發(fā)電裝置,并在水下無(wú)線信號(hào)傳輸方面進(jìn)行了可行性驗(yàn)證。



  隨著人們對(duì)能源危機(jī)和碳排放的日益關(guān)注,為了進(jìn)一步滿足對(duì)電力供應(yīng)的巨大需求和為電子產(chǎn)品供電的應(yīng)用,可再生能源發(fā)電技術(shù)得到了迅速發(fā)展。水覆蓋了地球表面的三分之二,濕氣在自然環(huán)境中無(wú)處不在,因此能夠直接從濕氣中收集能量的濕氣自發(fā)電這一新興技術(shù)在近年來(lái)引起了廣泛關(guān)注。該技術(shù)通過(guò)在功能材料中引入不對(duì)稱吸濕與水解,在吸濕材料中產(chǎn)生離子濃度梯度,進(jìn)而誘導(dǎo)的電荷的定向流動(dòng)產(chǎn)生電輸出。濕氣自發(fā)電技術(shù)具有綠色、可再生和便攜的優(yōu)勢(shì),這些特性使 濕氣發(fā)電器件在自驅(qū)動(dòng)設(shè)備中發(fā)電和應(yīng)用方面具有重要前景。然而,目前的濕氣發(fā)電器件只能收集空氣中的濕氣能量,覆蓋地表更為廣泛的液態(tài)水源未能被該技術(shù)收集,極大地限制了濕氣發(fā)電能量收集效率和實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。


  上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院沈道智和合作者針對(duì)這一問(wèn)題,在濕氣發(fā)電器件的結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)防水透氣膜層和離子吸濕層,防水透氣膜具有允許水蒸氣透過(guò),防止液態(tài)水滲透的性能。離子吸濕層的水凝膠為嵌入檸檬酸(CA)介質(zhì)的聚谷氨酸(PGA)聚合物網(wǎng)絡(luò),當(dāng)聚合物網(wǎng)絡(luò)吸收水分子時(shí),會(huì)解離出帶電離子,聚合物網(wǎng)絡(luò)能夠限制大負(fù)離子的移動(dòng),這種輔助約束能夠促使正負(fù)離子分離,從而產(chǎn)生電輸出。研究發(fā)現(xiàn),單個(gè)濕氣發(fā)電機(jī)可以在水下持續(xù)提供 0.55 V 的開(kāi)路電壓和 130 μA cm-2 的峰值電流密度。而由于防水透氣膜的保護(hù),即使在鹽濃度為10%、擾動(dòng)流速為 1 m/s 和 > 40 kPa 液壓的惡劣水下環(huán)境中,器件仍然可以保持輸出。同時(shí)防水透氣膜和離子水凝膠膜成本較低,容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制備。最后,展示了一種新型水下無(wú)線通信系統(tǒng),該系統(tǒng)由濕氣發(fā)電器件提供動(dòng)力,成功地為水中發(fā)射器供電,用于位置跟蹤器和無(wú)線遠(yuǎn)程警報(bào)。



  研究者相信,此項(xiàng)研究為在水下收集水分能量提供了一條創(chuàng)新路線,表明水下濕氣發(fā)電器件設(shè)備有望為海洋物聯(lián)網(wǎng)一系列電子設(shè)備供能。相關(guān)論文在線發(fā)表在Advanced Science上。


  論文信息:

  Ionic Hydrogel-Based Moisture Electric Generators for Underwater Electronics

  Daozhi Shen*, Fangzhou Li, Jian Zhao*, Rui Wang*, Bin Li, Zechao Han, Linglan Guo, Peicheng Han, Dongqi Yang, Hyun Ho Kim, Yanjie Su, Zhixiong Gong, Limin Zhu

  Advanced Science

  DOI: doi.org/10.1002/advs.202408954

  原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202408954

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