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中科院化学所宋延林研究员/李会增副研究员/赵志鹏博士 《Nano Energy》:独立式双电极摩擦纳米发电机实现高效液滴能量收集
2023-04-18  来源:高分子科技
  基于水系统的清洁能源的收集与利用近年来已经取得了巨大进展。作为自然界中最常见的水的形式,运动液滴具有可观的动能,如何高效利用这部分能量成为了值得关注的问题。DBE-TENGsDroplet-based bi-electrode freestanding TENGs, 独立式双电极摩擦纳米发电机)提供了一个便捷、低成本的收集液滴能量的方法,然而,对于该类器件的电荷转移机理和影响因素尚缺乏系统深入的探究。近日,中国科学院化学研究所的宋延林研究员、李会增副研究员和赵志鹏博士在《Nano Energy》上发表了题为“Two-orders of magnitude enhanced droplet energy harvesting via asymmetrical droplet-electrodes coupling”的研究论文。作者设计了一种简单易制备的独立式双电极摩擦纳米发电机DBE-TENGs(其介电层包括浸涂法制备与商用的聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物表面等),基于此揭示了DBE-TENGs中电荷转移机制,阐释了位置依赖的电流增强机理(高达两个数量级,图1),并将此机理应用于高效的液滴能量收集。 


图1. 液滴撞击到与电极间隙之间不同中心距离位置的电流输出变化。


 图2. 液滴撞击位置与形成的界面电容的不对称性。


  为了解释基于位置增强的电流输出的机理,作者结合液滴撞击过程中的铺展与收缩过程,构建了如图2的界面电容模型。液滴接触介电层之前,PTFE内部电容的电荷与铜电极形成平衡。而当液滴接触PTFE之后,液滴与PTFE接触的区域由于静电诱导效应感应出正电荷,打破了之前的平衡,从而形成电流。而形成的界面电容的大小与液滴在两个电极上铺展的面积相关,于是,根据观测不同撞击位置液滴的铺展面积就可以计算得到界面电容的大小关系。 


图3. 液滴撞击过程中的电荷转移机制。


  根据电容的关系,作者进一步推导出了电荷转移数目随不同撞击位置的变化规律(图3)。推导结果与实验测量的结果很好地吻合。同时,作者还对不同液滴撞击位置中的电荷转移过程进行了模拟,模拟结果也证实了之前的推论。该研究解释了液滴在DBE-TENGs上的电荷转移机制,也揭示了液滴撞击不同位置时铺展面积相同但其界面电容上感应的电荷差异巨大的原因。


  将上述的发现应用到液滴能量收集中,作者展示了在相同的液滴状态和收集装置下,仅仅改变液滴的撞击位置就能够显著提高液滴能量收集的效率(图4),这为液滴摩擦电能量收集提供了高效的新途径。 


图4. 雨滴能量收集的差异对比。


  原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285523000496


通讯作者简介:

宋延林

中国科学院化学研究所研究员,绿色印刷重点实验室主任,中国科学院大学长江学者特聘教授。中国材料研究学会、中国印刷技术协会、中国感光学会、中国微米纳米技术学会常务理事;国际电工协会印刷电子工作组专家,Research、Droplet 副主编, J. Mater. Chem. C、Infomat、Giant、Carbon Energy 等期刊编委。主要从事光电功能材料、纳米材料与绿色印刷技术研究。作为首席科学家或项目负责人主持国家重点研发计划、中科院战略先导研究计划等项目30余项。已发表SCI 收录论文500余篇,H指数100,被引用35,000余次,并多次被Nature、Science 等作为研究亮点报道。主持和参加编写英文专著15部,中文专著2部;获授权中国发明专利100余项,美国、日本、欧盟、韩国等授权发明专利26项。获 2008年和2005 年国家自然科学二等奖,2016年北京市科学技术一等奖;2006 年获国家杰出青年科学基金资助。先后获中国青年科技奖、中国化学会-阿克苏诺贝尔化学奖、IEC1906奖、中科院杰出青年、中国科协求是杰出青年成果转化奖、毕昇印刷技术奖和中华印制大奖等。入选首批科技北京领军人才、中青年科技创新领军人才、万人计划、国家百千万人才工程及全国优秀科技工作者等。



李会增

硕士生导师,中科院化学所副研究员,主要从事功能材料图案化、表面浸润性和液滴操控相关研究。先后承担国家自然科学基金面上项目、青年项目、中科院青促会、博新计划、企业合作研发项目等。以第一/通讯作者在Angew. Chem. Int. Edit., Nat. Commun., Sci. Adv., Proc. Natl. Acad. Sci.等期刊发表论文20余篇。


第一作者简介:



赵志鹏

于2022年在中国科学院化学研究所获得博士学位,师从宋延林研究员。研究兴趣是液滴操纵,三相界面调控与液滴能量的收集。目前于香港大学从事博士后研究。

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(责任编辑:xu)
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