復旦大學Angew. Chem. Int. Ed.：具有高轉化率的一維流體納米發電機

背逆時光 6年前 (2017-09-10) 3514瀏覽

【引言】

由于日益嚴重的能源危機，從環境中收集能量已經成為能源主要來源方式。流水是自然界中最容易獲得的能量之一，如小溪、河流、湖泊和海洋以及人身體里的組織液和血液。這些流動物體產生能量穩定且持續，不像自然界里的風能、太陽能，容易受到氣候的影響。過去，人們通過水輪和水壩收集流動物體的能量。然而，笨重和復雜的設備限制了他們在小尺寸和柔性的工作環境中應用。為此，研究人員利用多壁碳納米管（MWCNT）構建了一種輕質量、柔性且可拉伸的纖維基流體納米發電機（FFNG）。該發電機可以收集環境和人體中各種流動液體的能量，可以同過液體離子濃度、溫度和流動速度來控制發電機的輸出。

【成果簡介】

近日，復旦大學大學高分子科學與先進材料實驗室彭慧勝教授（通訊作者）研究小組構建了一種輕質量、柔性且可拉伸的纖維基流體納米發電機。該發電機可以收集環境和人體中任意流動液體的能量。它的能量轉化效率達23.3%，同時在經歷1000000的形變后，依然可以保持很好的性能。該研究成果以“A one-dimensional fluidic nanogenerator with a high power conversion efficiency”為題發表在Angewandte Chemie-International Edition 上。

【圖文導讀】

圖1. FFNG的測量圖和結構表征

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（a）用直徑為8mm多壁碳納米管構建的FFNG照片；

（b）在低倍放大下，FFNG的掃描電鏡側視圖；

（c）在高倍放大下，FFNG的掃描電鏡側視圖；

（d）在流水中，測量FFNG電學輸出實驗步驟的示意圖。

圖2. 鹽水在FFNG表面流動產生的電學輸出

（a）? FFNG在飽和NaCl溶液1.2cm/s的流速下往復流動的輸出電壓；

（b）? 輸出電壓和0.6M NaCl溶液的流動速度之間的關系；

（c）? 輸出電壓、電流和NaCl溶液濃度之間的關系（流速為12.9cm/s）；

（d）? 在飽和NaCl溶液中，輸出電壓和FFNG的有序介孔碳含量之間的關系（流速為20cm/s）；

（e）? 浸入到NaCl中，含序介孔碳的FFNG隨彎曲次數增加的輸出電壓，插圖為FFNG在NaCl溶液中分別彎曲200000、600000和1000000次后的電壓輸出。

圖3. FFNG和其他纖維基納米發電機的能量轉換效率和柔韌性

染料敏化太陽能電池、鈣鈦礦太陽能電池、量子點敏化太陽能電池、有機太陽能電池、無機太陽能電池和摩擦納米發電機的能量轉化效率。

圖4. FFNG的機理

（a）? FFNG流動電勢的機理示意圖，液體中MWCNT的表面形成雙電層；

（b）? 將含有序介孔碳的FFNG浸入到0.6M NaF, NaCl, NaBr 和 NaI溶液中的電壓輸出（有序介孔碳含量為5.1mg/cm）；

（c）? 將含有序介孔碳的FFNG浸入到0.6MLiCl, NaCl, KCl, RbCl 和 CsCl溶液中的電壓輸出（有序介孔碳含量為5.1mg/cm）。

【小結】

該團隊用MWCNT作為電極材料結合雙電層原理，構建了一種輕質量、柔性且可拉伸的流體納米發電機。該發電機有很好的穩定性和持久性，同時，其一維的結構有望植入人體，收集血液的能量。這種新方法為發展未來高效和小型化的能源系統提供了可借鑒的方法。

文獻鏈接：A one-dimensional fluidic nanogenerator with a high power conversion efficiency（Angew. Chem. Int. Ed.，2017，DOI: 10.1002/anie.201706620）

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