北京化工大學石峰教授AM：收集環境中的能量用于發電的光響應性功能協同智能器件

【引言】

微傳感器和微機電系統被廣泛應用于可穿戴電子設備，超靈敏化學-生物傳感器，納米機器人等各個領域。這些小型的電子產品所需能量很小，現如今，電池仍然是首要選擇。然而，電池有限的容量及使用壽命無法滿足對持續供電的需求。功能協同智能器件，是將多種材料或表面集成到一個器件中，在外界的刺激下，能夠有序地完成一系列復雜的任務。近年來，基于“功能協同智能器件”這一概念所制備的迷你發電機，將物體的往復運動與法拉第電磁感應定律相結合，實現了動能到電能的有效轉換，為解決上述問題提供了一條新的途徑。然而，當前設計出的迷你發電機依賴于過多的人工操作以及有用能源的消耗，如溶液酸堿性的調節、壓力的施加/釋放等，因此如何收集環境中未被廣泛利用的能量，如光能、廢熱等等，并通過智能器件轉換為電能，是目前所面臨的挑戰。

【成果簡介】

近日，北京化工大學石峰教授（通訊作者）團隊開發了一種光響應性的功能協同智能器件作為迷你發電機，可以直接收集環境中的太陽光用于器件自身的垂直運動，結合法拉第電磁感應定律實現了機械能向電能的轉化，相關成果以“Electricity Generation through Light-Responsive Diving-Surfacing Locomotion of a Functionally Cooperating Smart Device”為題發表在國際頂級期刊Advanced Materials（IF=21.95）上。所制備的功能協同智能器件由三部分組成，上半部分是一個超親水的方形盒子，用于束縛一定量的氣體，下半部分是一個超疏水的圓柱體，一方面用于減少流體阻力，另一方面用于攜帶圓形小磁鐵，磁鐵用于產生磁場。當光照射到器件內部時，基于光熱效應，器件內部束縛的氣體開始膨脹，使器件密度逐漸減小，當小于水的密度時，開始上浮運動；脫離光源后，內部的氣體開始收縮，器件密度逐漸增大至初始狀態，開始下潛運動。器件往復的垂直運動會帶動磁鐵相對于銅線圈運動，改變磁通量，從而產生感應電壓。研究人員探究了紅外光功率對輸出電能的影響，發現隨著紅外光功率的增大，輸出電壓以及發電效率都是增大的，且在4.2 W下，得到能量轉換效率為2.4 × 10^-3?%，輸出電壓可達到1.7?V，足以驅動5個LED小燈泡發光。進一步地，研究人員對器件的運動壽命進行了考查，發現器件可以在光照下持續運動8小時以上，且輸出的電能保持穩定。該論文的共同第一作者為課題組碩士生楊瀟和成夢嬌副教授。

【圖文導讀】

圖1：光驅動智能器件的制備及紅外光下器件的上浮下潛運動

（a）光驅動智能器件的垂直運動示意圖；

（b）智能器件的制備過程；

（c-g）紅外光下智能器件的上浮下潛運動。

圖2：紅外光功率對發電過程的影響及長時間下電能的持續穩定輸出。

（a）智能器件的發電過程示意圖；

（b-f）不同紅外光功率下的輸出電壓-時間曲線；

（g）能量轉換效率與紅外光功率之間的關系；

（h）長時間下（30,000 秒）的輸出電壓-時間曲線。

?圖3：輸出電能的應用及太陽光下器件的上浮下潛運動

（a-b）該器件的輸出電壓能夠驅動5個LED小燈泡發光；

（c-g）太陽光下智能器件的上浮下潛運動；

（h-i）不同太陽光功率下的輸出電壓-時間曲線。

【小結】

在本文中，基于“功能協同智能器件”這一概念，研究人員設計并制備了一種具有光響應性的迷你發電機，可以直接從環境中收集光能，并結合法拉第電磁感應定律，實現光能到動能再到電能的轉換，通過對器件的運動壽命進行考察，實現了至少8小時以上的持續穩定的電能輸出。這一研究結果提供了一種綠色、可持續的能量轉換策略，推動了“功能協同智能器件”這一概念的發展，為智能材料和材料科學的研究提供了一種新的思路。

【未來展望】

世界經濟的快速發展使能源消耗量急劇增加，能源供需矛盾日益突出，并造成了嚴重的環境問題。研究人員發現，太陽能電池板吸收的太陽能絕大多數轉化為電池板的熱能。如果能把產生的廢熱有效地利用起來，既可以降低電池板的溫度，提高光伏轉換效率，同時還可以提高系統的綜合能量利用效率；此外，大型發電廠等排放出的大量廢熱很多情況下也并沒有得到有效地利用，不僅造成了能源的浪費，還給環境帶來不良影響。因此實現廢熱的回收和有效再利用，是節約能源降低能耗的一個有效途徑。為此，研究人員設想在未來的研究工作中，設計出一種熱響應性的功能協同智能器件，充分利用太陽能電池板或發電廠等釋放到環境中的廢熱，使其與太陽能板或發電廠聯合供電。該方案不僅可以實現廢棄能源的有效再利用，同時可以提高太陽能電池板的效率以及發電廠的經濟收益，具有廣泛的發展前景。

?文獻鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201803125（Electricity Generation through Light-Responsive Diving-Surfacing Locomotion of a Functionally Cooperating Smart Device. Adv. Mater. 2018, DOI:?10.1002/adma.201803125）

本文由material-1219供稿，材料牛整理編輯。

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