四川大学邓华教授团队Nano Energy：具备高离子浓度梯度的湿-电转换泡沫

2022-04-09 来源：高分子科技

近年来，由于纳米材料的发展，利用水和活性纳米填料之间的相互作用的水电能量转换（MEET）设备的发展取得了长足的进步。与风能、地热能和水能等其他绿色能源相比，具有便携、易集成等优点的MEET设备，在柔性可穿戴设备、海水淡化和低功率设备供能方面展示了巨大的应用潜力。然而，受限于MEET设备的功率普遍较低，尚难满足实际生活的需要。因此，有必要开发一种新型高性能的MEET设备并探索其潜在的应用。

最近，四川大学高分子科学与工程学院邓华教授团队报道了一种基于树枝状芳纶（ANF）胶束仿生涂覆技术制备的MEET泡沫。通过在泡沫两端设置高离子浓度梯度，诱导带电离子的定向扩展，从而赋予该泡沫优异的湿-电转换能力（能量密度超过225.4 μWh·cm^-3）。此外，本工作还探索了该MEET设备在低功耗设备供能和自供电传感方面的应用。

图1. RGCPF设备示意图。

MEET系统输出的电能几乎完全来自活性材料与水分子相互作用，因此，理想的MEET设备往往要具备大的比表面积、高离子密度梯度以及良好的水分子可及性。针对上述设想，在本文中，采用将ANF树枝状胶束分别与氧化石墨烯（GO）、还原氧化石墨烯（rGO）进行简单的机械共混然后不对称的涂覆在碳纳米管（CNT）预处理过的聚氨酯（PU）泡沫的表面，得到一种高性能MEET设备（RGCPF）（如图1）。具有丰富含氧官能团的GO/ANF一侧会诱导产生高浓度的带电离子，而低含氧官能团的rGO/ANF一侧会产生低浓度的带电离子，从而对带电离子的定向扩散提供额外的作用力，这显著提升了RGCPF的湿-电性能（如图2，P ≈ 39.93 μW）。

图2. RGCPF设备的湿-电性能。

进一步，本实验还探讨了盐溶液对RGCPF湿-电性能的影响（如图3），研究表明随着盐溶液的加入，水和钠离子与GO表面的结合能增大，RGCPF的功率明显提高（P ≈ 65.97 μW）。然而，RGCPF中盐的残留也会不可避免的导致后续循环的过程中性能下降。得益于独特的结构设计，该RGCPF的功率密度和能量密度要优于众多已有的文献报道。通过将RGCPF进行串联和并联处理可以进一步提高其输出表现，其中5个串联的RGCPF设备就可以点亮LED灯组。并且通过吸收人体运动后汗液，该MEET设备也可以长时间稳定的供能。

最后，使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）对RGCPF进行封装，通过外力诱导水分子定向移动，实现RGCPF中电压的变化，从而制备了一种新型自供电的柔性应变传感器。该自供电传感器实现了对肢体活动、生理活动和应力位置方向的监测，展现了在自供电可穿戴电子设备上的应用潜力（如图4）。

图3. RGCPF器件的湿-电性能。

图4. RGCPF自供电传感器的应用。

该工作为制备具有高性能的MEET设备和多功能自供电传感器提供了新的思路，在电子皮肤、智能机器人、假肢和可穿戴设备等方面展现了广阔的应用前景。相关研究成果以“Fabricating high prformance multi-functional hygroelectric generator through a biomimic approach”的论文发表在《Nano Energy》上。文章第一作者是四川大学博士研究生张学忠，通讯作者是邓华教授。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107241

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（责任编辑：xu）

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