搜索:  
香港理工大学陶肖明教授团队 Nat. Commun.:基于超分子水凝胶的绿色湿气发电机,输出电流可达65 mA
2024-04-22  来源:高分子科技

  湿气发电机 (MEG)已经成为一种很有前途实现碳中和的绿色能源技术。近期,香港理工大学智能可穿戴系统研究院陶肖明教授团队成功设计了一种基于超分子水凝胶的绿色湿气发电机。这种绿色湿气发电机不仅可以获得高达0.11 mW cm?2功率密度,还能大规模的集成获得65 mA的电能输出,并成功的应用到日常生活中。这种绿色湿气发电机具有高性价比,高效可集成,柔性可穿戴等优点,在物联网和自供电的可穿戴电子系统等应用领域具有极大的应用前景。相关工作以“Green moisture-electric generator based on supramolecular hydrogel with tens of milliamp electricity toward practical applications” 为题线上发表在最新一期《Nature Communications》。第一作者是港理博士后杨素



  绿色可持续能源对实现碳中和具有至关重要的作用。其中MEG的能量来源于大气湿气,具有来源取之不尽,可持续性,能量采集无限制性等优点在众多绿色可持续能源中脱颖而出。然而,由于电能输出低,具有间歇性,及大规模集成受限等瓶颈问题,MEG想要作为直流电源实现实际应用仍然存在挑战。基于此,本工作采用超分子水凝胶作为绿色发电材料,利用其强的吸水能力及三维网络结构中保留的水梯度,构建一种高效的直流湿气发电机。与已报道的工作不同,这类绿色湿气发电机不仅能量转化过程中无污染物及有害气体的产生,而且材料本身也完全环境友好 。 


1. a, 湿气发电结构及装置;b, 单个MEG的开路电压输出;c, 单个MEG的负载电流输出;负载电荷是1 k?; d, 报道的直流MEGs性能对比图。


  图1a展示了这类MEG的结构设计。海藻酸钙/钠的引入不仅构筑了egg-box的交联网络,而且也是主要的可解离的离子来源。此外,其与水分子强的相互作用力也使MEG能够自发吸收环境中的水汽形成非对称的湿度梯度引发离子从高分子网络中解离并扩散,从而对外输出电能。单个湿气发电机可持续输出开路电压1.3 V90 小时,负载电流0.25 mA17小时(负载1 k?)。与已发表的直流湿气发电机相比,该类MEG的短路电流密度(ca.1.31 mA cm?2)和最大功率密度(ca. 0.11 mW cm?2)处于遥遥领先水平。 


2. 集成的MEG器件的电压和电流输出性能。


  研究人员进一步借助激光打印技术实现MEG的高效大规模集成。扩大化的短路电流首次实现一个数量级的突破,高达65 mA (2a)。不仅如此,扩大化的集成电流及电压都具有出色的线性扩大性 (2b2e)。为了进一步证明放大电流的稳定性,40个并联集成的MEG在连接外部电阻33Ω时可提供约5.6mA的大电流,并且电流稳定输出超过24小时(2c2f)。由于使用的集成方法高效简单,器件柔性可穿戴,使得这类新的MEG器件在便携式可穿戴电子系统领域发挥巨大的潜在应用价值。 


3.集成的MEG设备作为直流电源的应用,包括自驱动的可穿戴电子系统应用,家用小型设备供电及自驱动二极管应用。


  得利于这类绿色MEG高效直流的电能输出,集成扩大的MEG器件可以直接用于许多可穿戴电子设备,甚至家用小型设备的供电器件,无需任何额外的整流电路和电容器。比如,一件整合了MEG的运动衣可以随时随地为智能手表充电(图3a-c),从而使得智能手表可以摆脱笨重的充电器,就算在户外也能保持长时间工作。更可观的是,一个2.5W的灯泡被一组10*24并联*串联集成的MEGs连续点亮(3d)。仅采用两个串联的MEGs, 就能使LCD时钟稳定运行一个月(3e)。此外,MEG已成功地作为栅极电压用于调制MOSFET(3f-h)这些实际生活的应用进而印证MEG器件质轻尺寸小,柔性可穿戴,且具有高功率输出和可扩大集成等优点。为开发绿色、多用途和高效的物联网和可穿戴电子系统的电源开辟了全新的前景。


  总结:陶肖明教授团队制备了基于超分子水凝胶的绿色湿气发电机,获得高效可集成扩大的输出电能,并成功应用在便携式、可穿戴电子系统和物联网等领域中。推动湿气发电机在湿气发电材料,集成技术和应用方面的进一步发展。团队目前正在更高效材料、发电原理模型、发电可持续可耦合,及规模工程集成技术等方面继续相关工作。


  论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-024-47652-3

版权与免责声明:中国聚合物网原创文章。刊物或媒体如需转载,请联系邮箱:info@polymer.cn,并请注明出处。
(责任编辑:xu)
】【打印】【关闭

诚邀关注高分子科技

更多>>最新资讯
更多>>科教新闻