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北化尹梅貞教授教授團隊《ACS AMI》:自發且持續的濕度驅動振蕩器用于能量收集
2022-09-01  來源:高分子科技

  水蒸氣作為自然界中廣泛存在的清潔能源,如何將其自發且持續的轉化為電能是一個重大挑戰。軟體驅動器因其能夠將外部刺激源的能量轉化為宏觀形變的機械能而被廣泛研究。這為水蒸氣的能量轉化提供了方向。因此,設計并實現一種能夠在水蒸氣的刺激下,自發且持續的實現能量轉化的軟體驅動器是難點之一。


  近日,北京化工大學材料科學與工程學院尹梅貞教授教授團隊基于濕敏性聚合物瓊脂糖和有機染料螺吡喃制備了一種能夠在水蒸氣刺激下自發且持續振蕩的軟體驅動器;并且該驅動器具有優異的光致變色和微弱的水蒸氣誘導變色現象;最終實現了自發且持續的電能輸出及光控智能窗戶系統(圖1)。 


1:不同厚度、尺寸及負載重物下的濕度驅動自振蕩模型圖;智能光控窗戶系統和持續電模型圖。


  通過研究不同厚度、不同尺寸及不同負載重物的條件下,水蒸氣驅動的自振蕩行為。結果發現隨著厚度增加,軟體驅動器的自振蕩行為變弱,振幅變小;反之,薄膜的力學性能增強,這是導致其水蒸氣驅動效果變差的關鍵因素(圖2)。 


2:不同時刻下,不同厚度SP@AG膜(20 × 4 mm)的濕度驅動自振蕩運動截圖及應力應變曲線。


  隨著尺寸的增大,濕度驅動自振蕩的行為變的更加優異,這是由于薄膜與水蒸氣的接觸面積成倍增加,使得所受到的濕度驅動力增大而導致的。最大震蕩幅度可達98°(圖3)。 


340 mm × 8 mm × 60 μmSP@AG膜在水蒸氣驅動下不同時刻的自振蕩運動截圖。


  薄膜重22.4 mg,當薄膜尖端負載重物達116 mg(約膜重的5.2倍)時,濕度驅動的自振蕩效果最佳,震蕩幅度跨越180°(圖4)。


440 mm × 8 mm × 60 μmSP@AG膜尖端負載116 mg重物時水蒸氣驅動自振蕩行為。


  綜上所述,薄膜尺寸增大或負載一定重物都有利于濕度驅動自振蕩運動的增強,這種具有優異的自發和持續的運動方式有利于實現電能的持續輸出實現了約30 mV電壓的輸出;并且優異的變色和濕敏性質使其適用于調節室內外濕度及保護隱私的智能光控窗戶系統(圖5)。 


5:應用:智能光控窗戶系統和持續電能輸出。


  這項研究工作不同于以往的濕度驅動的軟體驅動器無規翻滾的運動方式,實現了自發且持續的振蕩運動,并且能夠在濕潤濾紙、手指和環境濕度波動下實現自發持續的振蕩運動為水蒸氣的收集利用提供了新的思路。該研究工作以“Spontaneous and Continuous Actuators Driven by Fluctuations in Ambient Humidity for Energy-Harvesting Applications”為題發表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。文章第一作者是北京化工大學材料科學與工程學院碩士生王乾尹梅貞教授和郭金寶教授為通訊作者。該研究得到國家自然科學基金、北京市自然基金等項目的支持。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1021/acsami.2c11944

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(責任編輯:xu)
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