王中林院士等人Adv. Sci.：納米發電機助力水蒸發誘導電能收集

CYM 1年前 (2022-04-27) 2921瀏覽

【導讀】

隨著化石能源的枯竭和環境的惡化，可持續和清潔的環境能源成為人類文明進步的關鍵。近年來，從環境中獲取能源具有生態友好、低成本和可持續發展等優勢，發展勢頭迅猛。其中，許多可行的能量收集機制，如壓電、熱釋電、摩擦發電等，?被用于提高輸出性能。由于其自發性、普遍性、直流（DC）輸出和可持續性，從自然界水蒸發中獲取能量已被作為自供電和低功率設備和系統供電的有前景的替代方案。在之前的研究中，研究者已經開發了一種基于處理過的炭黑片材的水蒸發能量收集器，親水片材提供毛細作用力并推動水流向上攀升，伴隨液-固摩擦起電，水蒸發引起的電能產生。受這項研究的啟發，研究人員通過優化發電機的材料、結構、制造工藝提高了發電機的性能。優異的水蒸發納米發電機明顯提高了開路電壓（<2 V）、短路電流（<1 μA）等關鍵性能指標。這些結果表明，水蒸發感應電具有為低功耗設備供電的能力。但要解決機械強度差、穩定性低、成本高、制造工藝復雜等不足，仍然具有諸多挑戰。

【成果掠影】

在此，杭州電子科技大學王高峰教授，董林璽教授，劉超然副教授和美國佐治亞理工學院王中林院士等人（共同通訊作者）提出了一種基于液固摩擦納米發電機（LS-TENGs）的水蒸發誘導電能收集方法，該方法具有易于制備、無需基板和堅固耐用等優點。本文開發的基于商業化多孔Al2O3陶瓷薄片能量收集裝置，通過優化薄片的物理尺寸和相對濕度、溫度、風速和離子濃度等環境參數，可產生≈0.3μA連續穩定的直流電和≈0.7V電壓，具有穩定性高、易于制造、成本低、性能穩定等突出優勢。同時，通過串聯或并聯LS-TENGs也可以明顯提高輸出功率，具有優越的兼容性和環境適應性。此外，與碳或納米線材料相比，陶瓷的堅固性使LS-TENG具有更好的輸出穩定性和更長的使用壽命，簡單的制造工藝有利于批量生產和應用。水蒸發誘導電能收集技術也顯示出了在數字計算器和充電電容器供電等領域的應用前景，本研究為基于LS-TENG的水蒸發誘導電能收集提供了深入的實驗研究，并提供了一種為低功率設備供電的有效方法。

相關研究成果以“Harvesting Water-Evaporation-Induced Electricity Based on?Liquid-Solid Triboelectric Nanogenerator”為題發表在Adv. Sci.上。

【核心創新點】

1.本文展示了一種基于水蒸發誘導電能收集的液固摩擦納米發電機（LS-TENGs），其具有易于制備、無需基板和堅固耐用等優點；

2.優化Al2O3陶瓷片的物理尺寸和相對濕度、溫度、風速和離子濃度等環境參數，可產生≈0.3μA連續穩定的直流電和≈0.7V電壓，能夠成功在數字計算器和充電電容器中得到應用。

【數據概覽】

圖一、多孔Al2O3陶瓷片的水蒸發驅動發電 ? 2022 The Authors

（a）測量蒸發驅動電的實驗裝置

（b）陶瓷片的單個納米通道中水流誘導的電流示意圖；

（c）LS-TENG制造過程的示意圖和LS-TENG的照片；

（d）Al2O3陶瓷片的SEM圖像；

（e）LS-TENG表面的接觸角測試。

圖二、LS-TENG的測量系統和輸出性能? ? 2022 The Authors

（a，b）LS-TENG產生電能的示意圖和實驗測量系統；

（c）LS-TENG輸出的長期穩定性；

圖三、源自自然水蒸發的感應電? ? 2022 The Authors

（a）設備在測試前后（測試 I）和（測試 II）產生的電壓（Voc）；

（b）設備完全被水淹沒時的Voc；

（c）水槽定期密封和啟封時設備的Voc；

（d）當0.1 ms-1的環境氣流周期性地打開和關閉時設備的Voc。

圖四、幾何尺寸、環境條件和離子濃度對LS-TENG輸出性能的影響? ? 2022 The Authors

（a-i）Voc和Isc隨不同的陶瓷片寬度，不同的厚度，兩個電極之間的不同高度，不同的相對濕度，不同的溫度，不同的風速，HCl，不同pH值的NaOH溶液，以及不同濃度的NaCl溶液的變化。

圖五、LS-TENG的輸出性能和應用? ? 2022 The Authors

（a，b）單個樣品以及串聯或并聯的三個樣品的Voc和Isc；

（c）LS-TENG在不同負載電阻下的輸出電壓、電流和功率；

（d）LS-TENG為100、47和10 μF的電容器充電；

（e）為電子計算器供電的LS-TENG的照片?

【成果啟示】

綜上所述，本文提出了一種基于液固摩擦納米發電機（LS-TENG）的水蒸發感應電收集方法。在Wang模型的指導下，這種優化的LS-TENG由商也化多孔Al2O3陶瓷片組成，并實現了Voc≈0.7 V和Isc≈0.3 μA的可持續穩定直流電輸出。同時，只需將LS-TENG串聯或并聯即可成倍增加輸出功率，具有優越的電能輸出性能、兼容性、穩定性和環境適應性。這些優異的性能使LS-TENG能夠應用于許多實際應用，例如數字計算器的電源和充電電容器。本文的努力不僅為水蒸發誘導的電能收集提供了深入的實驗探索，而且為LS-TENG機制的應用提供了新的視角。

文獻鏈接：“Harvesting Water-Evaporation-Induced Electricity Based on?Liquid-Solid Triboelectric Nanogenerator”（Adv. Sci.，2022，10.1002/advs.202201586）

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