中國海洋大學唐群委Nano Energy: 自供電PEDOT及衍生物單電極捕獲雨能

【引言】

如何解決能源危機與環境污染問題是人類正面臨的兩大挑戰，開發新能源和可再生的清潔能源已成為全球范圍內的重大戰略性選擇。太陽能因具有清潔、資源豐富及永不枯竭等優勢而成為理想的替代能源之一。越來越多的國家開始實行“陽光計劃”——高效開發利用太陽能資源，尋求“低碳經濟”發展的新動力。利用太陽能最直接有效的方式之一是光伏轉換，即將太陽能直接轉換為電能而供人類使用。然而，太陽能電池存在“無光不生電”的弊端，尤其針對雨量豐富(年降雨量>30%)的東南亞及南美地區，光伏發電更加成為極具挑戰性的難題。因此，開發捕獲雨能的能量轉換器件使之與太陽能電池互為補充，已成為實現能量輸出最大化的有效方式之一。

【成果簡介】

2017年9月22日，來自中國海洋大學材料科學與工程學院的唐群委教授(通訊作者)團隊在Nano Energy雜志報道了以“Self-powered PEDOT and derivate monoelectrodes to harvest rain energy”為題的捕獲雨能的單電極技術。該成果采用成本低廉、易于制備的PEDOT, PEDOT-graphene, PEDOT-graphene/PtCo電極材料，降雨過程中，雨滴滴落到單電極表面，雨滴中的陽離子與電極表面的富集電子吸附形成雙電層贗電容；雨滴的鋪展和收縮過程實現了贗電容的充放電，從而輸出電流和電壓。實驗階段，采用0.6 M NaCl水溶液作為模擬雨水，自供電單電極材料可產生最大電流為4.41 μA/液滴和最大電壓為136.66 μV/液滴，并實現了實驗階段的穩定性和耐久性。此外，研究還展示了此器件在實際雨天中的應用，采用青島地區的雨水，測試自供電單電極材料的電流為0.23 μA/液滴，電壓為29.90 μV/液滴。

【圖文導讀】

圖1.自供電單電極捕獲雨能的機理示意圖

基本結構：在導電基體上沉積電極材料，并外接兩根銅基電極收集電信號。

(a) 雨滴帶有正電荷離子，電極材料富含電子；

(b) 當雨滴滴落至電極表面時，雨滴中的陽離子吸附電極材料中的電子形成雙電層贗電容，雨滴的快速鋪展實現了贗電容的充電過程；

(c) 當雨滴鋪展到一定程度后收縮，電子解吸附釋放出電子，實現了贗電容的放電過程；

(d) 伴隨著雨滴的不斷滴落，鋪展/收縮狀態反復進行，從而實現贗電容的循環充/放電過程。

圖2.不同自供電單電極材料對電信號性能的影響

單電極材料：PEDOT、PEDOT-graphene、PEDOT-graphene/PtCo

制備方法：恒壓法；

模擬雨水：0.6 M NaCl水溶液；

雨滴滴速：40 mL h^-1。

(a) 電流、(b) 電壓、(c) 功率信號對比圖。

圖3.不同陽離子濃度對電信號性能的影響

單電極材料：PEDOT、PEDOT-graphene、PEDOT-graphene/PtCo；

制備方法：恒壓法；

模擬雨水：0.2 M、0.6 M、1.0 M的NaCl溶液；

雨滴滴速：40 mL h^-1。

(a) 電流、電壓、功率信號變化趨勢圖。細節如下：

PEDOT：(b) 電流、(c) 電壓、(d) 功率信號對比圖；

PEDOT-graphene：(e) 電流、(f) 電壓、(g) 功率信號對比圖；

PEDOT-graphene/PtCo：(h) 電流、(i) 電壓、(j) 功率信號對比圖。

圖4.電信號的長期穩定性測試

單電極材料：PEDOT-graphene/PtCo；

制備方法：恒壓法；

模擬雨水：0.6 M NaCl水溶液；

滴速：40 mL h^-1。

(a) 電流、(b) 電壓信號穩定性測試圖；

(c) 電流、(d) 電壓信號輸出變化趨勢圖。

圖5.模擬雨水成分對電信號性能的影響

單電極材料：PEDOT-graphene/PtCo；

制備方法：恒壓法；

模擬雨水成分：0.6 M HCl、0.6 M LiCl、0.6 M NaCl、0.6 M KCl、0.6 M NH₄Cl、0.6 M MgCl₂水溶液；

滴速：40 mL h^-1。

(a) 電流、(b) 電壓、(c) 功率信號對比圖。

圖6.真實雨水對電信號性能的影響

單電極材料：PEDOT-graphene/PtCo；

制備方法：恒壓法；

真實雨水：青島降雨；

滴速：40 mL h^-1。

(a) 電流、電壓、功率信號測試圖；

(b) 電流、(c) 電壓信號穩定性測試圖；

(d) 電流、(e) 電壓信號輸出變化趨勢圖。

【小結】

唐群委教授團隊基于雙電層贗電容的充/放電原理，巧妙的設計了一種可用于捕獲雨能的自供電單電極，并對器件的發電性能進行了系統研究，并且探討了不同制備方法、材料、成分、含量等對電信號產生的影響。進而將最優化器件用于真實環境中，實現了其在真實降雨天氣的應用。這也為未來的新能源開發開辟了一個有前景的方向。

全文鏈接：Self-powered PEDOT and derivate monoelectrodes to harvest rain energy（Nano Energy,2017,DOI:10.1016/j.nanoen.2017.09.007）

本文由中國海洋大學唐群委老師投稿，材料人整理編輯。

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