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氧化石墨烯薄膜上原位制备了湿电发电机HygroelectricGeneratorsHEG

2021年07月23日 洛阳机械设备网

2018-11-27 18:40:17来源:高分子科学前沿

广泛存在于自然界中的湿气或者水分扩散过程蕴含大量的能量。湿电发电机可以将水分扩散过程中的化学势能转化为电能,因而受到了高度的关注。但已报道的湿电发电机结构单一,机械性能较差,这严重限制了其在实际生活中的应用。清华大学曲良体教授和程虎虎博士团队利用激光直写技术,在氧化石墨烯 (GO) 薄膜上原位制备了湿电发电机Hygroelectric Generators(HEG)。并通过对器件形状的合理设计,使湿电发电机器件具有优异的弯曲和拉伸性能,并能随着基底的变形在二维和三维形态间自动地切换。

湿电发电机示意图(Hygroelectric Generators)

研究人员通过激光直写技术原位地在GO膜上还原出还原氧化石墨烯叉指电极,并通过电化学极化的方式构建湿电发电机。本文首次提出了接触式极化的制备方法,使得可以在GO膜上制备大规模集成的水电发电机。所制备的湿电发电机在湿气刺激下具有优异的产电性能,单个器件的开路电压和短路电流分别可以达到0.18V和1.1μA,多个器件集成后开路电压可以达到1.5V以上。同时,基于GO膜的湿电发电机具有优异的弯曲性能,在不同弯曲角度下产电性能没有明显变化。两张GO膜在湿气的刺激下所产生的电能可以为一个LED灯泡供电。

为了突破GO膜机械应变的限制,研究人员将湿电发电机以蛇形岛桥结构进行集成,从而将整体的拉伸变形转换为“桥”的弯曲变形,实现较好的拉伸性能。基于之前已报道的力学分析和有限元模拟,文中分析了蛇形岛桥结构参数对拉伸性能的影响,并最终设计出可以实现100%拉伸应变的湿电发电机。可拉伸的水电发电机即使在高度拉伸状态下也具有良好的产电性能,在初始状态和拉伸状态所产生的电能都可以为LED小灯泡供电。基于有限元辅助设计,研究人员还设计了一系列可随基底变形在二维形态和三维构型间自动转换的器件,如金字塔结构、立方体结构、Miura‐ori折纸结构、半球形结构。通过合理的设计折痕,这些水电发电机可自动组装成特定的三维构型,可以适应基底的复杂变形且几乎不影响产电性能。这些可弯曲、可拉伸、可变形的器件能够适应基底的复杂变换,不同变形状态下产电性能优异,因此在可穿戴设备、柔性电子器件领域有广泛的应用前景。

近年来,曲良体教授团队专注于先进材料和新型微纳器件,及在能源、环境等领域的研究与应用,在湿气产电领域开展了大量原创且深入的工作,并取得了多项重要成果。相关工作发表在《自然通讯》Nat. Commun., 2018, 9, 4166.、Energy Environ. Sci. 2018, 11, 1730;2018, 11, 2839、Angew. Chem. Int. Ed. 2018. DOI:10.1002/anie.201810345.、Nano Energy 2018, 45, 37等高水平刊物上,并受邀在《自然综述-材料》(Nature Reviews Materials)、《化学研究述评》(Accounts of Chemical Research)、《焦耳》(Joule)上撰写综述多篇。

清华大学机械系曲良体教授和程虎虎博士为本文的通讯作者。清华大学2017级博士生杨策为本文第一作者。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。

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