蘇州納米所張珽 Nat. Commun.：熱傳導效應增強水力發電

【背景介紹】

天然水（natural water）是最豐富的資源，覆蓋地球表面70%以上，其中蒸發是水循環的重要組成部分。由于水蒸發的自發性和普遍性，近年來水蒸發驅動的水力發電（hydrovoltaic generators, HGs）得到了廣泛的發展。特別是，在環境條件下，功能化多孔炭黑膜中的水分蒸發可靠地產生高達1 V和100 nA的持續電壓和電流。然而，受限的環境溫度和緩慢的熱量補充限制了水的蒸發速率，從而限制了HGs的性能。在蒸發過程中，水分子相變過程中的能量消耗所引起的熱梯度一直被忽視，但卻為獲取環境能量提供了寶貴機會。

柔性熱電材料（flexible thermoelectric materials）的快速發展，為突破HGs的這些限制提供了可能性。柔性熱電材料的順應性和導熱特性為與柔性HG結合提高性能提供了基礎，但是導熱匹配和界面匹配也仍然存在挑戰。在材料方面，導電聚合物和有機/無機雜化物是兩種主要的柔性熱電材料，它們可以通過將其貼合到人體等彎曲熱源上直接將熱轉化為電能而受到廣泛關注。目前對柔性熱電材料的研究主要集中在高性能材料和器件的制備上，近期開發了一系列高性能熱電發電機（thermoelectric generators, TGs），但是柔性熱電材料中由熱傳導引起的熱損失以及可用熱梯度源的缺少阻礙了TGs的發展。
【成果簡介】

近日，中科院蘇州納米技術與納米仿生研究所張珽研究員（通訊作者）等人報道了一種熱傳導效應增強的水力發電機（hydrovoltaic power generator, HCEHG），即通過在多孔的雙尺寸Al₂O₃（d-Al₂O₃）背面上合理地集成柔性離子熱電（ionic thermoelectric, i-TE）明膠，構建了一個HG作為熱傳導層，以提高蒸發電能輸出，并保持持續的熱電轉換而無需任何特殊的環境要求。在發電機中，i-TE材料可以改善d-Al₂O₃膜和附近環境之間的熱傳導提高水的蒸發率。其中，在溫度為294.6 K和30%相對濕度（RH）下，將HG的性能提高到4.0 V。在HG模塊的協同作用下，連續蒸發的水可以為熱電發電機提供約2.0 K的恒溫溫差。更重要的是，熱電組件的黑色表面可以有效地將太陽輻射轉化為熱量，溫差達到4 K，在1個標準太陽（1 standard sun）下，水電部分的開路電壓（V_hoc）穩定在6.4 V，這是所報道的水電發電機的最大值。此外，所產生的電能不僅可以存儲在商用超級電容器中，而且還可以直接驅動數字計算器等電子設備，或者用作可穿戴設備的能源供應平臺。研究成果以題為“IEnhancing hydrovoltaic power generation through heat conduction effects”發布在國際著名期刊Nature Communications上。

【圖文解讀】

圖一、HCEHG的示意圖 ?? 2022 The Authors

圖二、柔性多孔d-Al₂O₃ HGs的發電性能??? 2022 The Authors
（a）在295.6 K的環境溫度和22.3% RH下，開路電壓響應與時間曲線；

（b）多孔d-Al₂O₃薄膜的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像；

（c）蒸發驅動HG的工作機制示意圖；

（d）填充時間、V_hoc和I_hsc作為200和20nm Al₂O₃質量比的函數；

（e）在不同彎曲狀態下，測量的納米發電機的V_hoc；

（f）發電機的輸出電壓和功率作為常溫環境中負載電阻的函數

圖三、柔性TG模塊的組成及發電性能?? 2022 The Authors
（a）制備TG的結構示意圖；

（b）彎曲PET薄膜上的準固態離子明膠的光學圖像，顯示了所用i-TE材料的柔韌性；

（c）CFF薄膜的SEM圖像；

（d）在溫度梯度下制備的柔性離子明膠中離子的擴散、氧化還原反應和相互作用示意圖；

（e）在不同溫度梯度下，制備的TG產生的電壓；

（f）不同溫度梯度下的短路電流響應與時間曲線；

（g）在8.6、23.8和42.2 K的ΔT下，不同負載電阻下的相應功率密度；

（h）循環熱梯度下的電壓變化，從0到8.6 K和0到23.8 K，經過20次循環

圖四、HCEHG的概念驗證?? 2022 The Authors
（a）HCEHG的結構示意圖；

（b）在環境溫度為294.6 K和濕度為30% RH下，有無熱電模塊的水電模塊的開路電壓響應與時間曲線；

（c）d-Al₂O₃薄膜和TG模塊表面的實時溫度變化和對應的溫差；

（d-e）d-Al₂O₃薄膜表面和TG模塊表面的紅外熱圖像；

（f-g）d-Al₂O₃薄膜表面和TG模塊表面在1 kW m^-2光密度下的紅外熱圖像；

（h）一個太陽照射下，水電模塊和熱電模塊的實時V_hoc和V_toc變化；

（i）一個太陽照射下，水電模塊和熱電模塊的實時I_hsc和I_tsc密度變化；

（j）由蒸發驅動的單個HG產生的最大電壓

圖五、HCEHG的應用?? 2022 The Authors
（a）由HCEHG驅動的數字計算器的照片；

（b）商用電容器在陽光下由HG的d-Al₂O₃ HG部分充電時的實時電壓變化；

（c）食指和中指接近時熱電模塊的實時電壓變化，從5 cm到2.5 cm再到0 cm；

（d）可穿戴功率傳感器系統示意圖，包括HCEHG、柔性CNT壓力傳感器和藍牙設備；

（e）將HG驅動的傳感器連接到頸動脈來檢測實時脈搏曲線

【小結】

綜上所述，作者通過在多孔d-Al₂O₃構建的HG背面合理組裝柔性i-TE明膠來制備HCEHG，以突破現有的限制環境溫度和HG的緩慢熱量補充限制。在HCEHG中，熱電器件可以改善d-Al₂O₃膜與附近環境之間的熱傳導，從而提高水的蒸發率，其在294.6 K和30%相對濕度（RH）下將水力發電機的性能從3.4 V提高到4.0 V。同時，雙粒徑Al2O3納米顆粒設計可以有效地提高水中帶電離子的選擇性。在協同作用下，HG與連續的水蒸發可使熱電發電機產生約2.0 K的恒定溫差。在光密度為1 kW m^-2（1 sun）下，黑色表面可以有效地實現太陽能到熱能的轉換，將熱電表面溫度從290.1 K提高到300.5 K，溫差將達到4 K，同時水電部分的穩定V_hoc為6.4 V，這是已報道的最高值。此外，產生的電能不僅可以儲存在商用超級電容器中，還可以直接驅動數字計算器等電子設備，或者用作可穿戴設備的能源供應平臺。總之，柔性HCEHG創造性地利用了水蒸發產生的最常見的熱電梯度，同時實現了HGs的性能改進，為環境能源（熱能、太陽能等）的協同集成發電提供了一種有前途的方法。

文獻鏈接：Enhancing hydrovoltaic power generation through heat conduction effects. Nature Communications, 2022, DOI: 10.1038/s41467-022-28689-8.

本文由CQR編譯。

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