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上海交通大學沈道智 Adv. Sci.:基于濕氣自發電效應的水下能量收集及器件應用策略
2024-10-06  來源:高分子科技

  上海交通大學機械與動力工程學院沈道智聯合上海交通大學密西根學院王睿、上海工程技術大學材料學院趙健等人利用防水透氣膜和離子化水凝膠制備了可在水下工作的濕氣發電裝置,并在水下無線信號傳輸方面進行了可行性驗證。



  隨著人們對能源危機和碳排放的日益關注,為了進一步滿足對電力供應的巨大需求和為電子產品供電的應用,可再生能源發電技術得到了迅速發展。水覆蓋了地球表面的三分之二,濕氣在自然環境中無處不在,因此能夠直接從濕氣中收集能量的濕氣自發電這一新興技術在近年來引起了廣泛關注。該技術通過在功能材料中引入不對稱吸濕與水解,在吸濕材料中產生離子濃度梯度,進而誘導的電荷的定向流動產生電輸出。濕氣自發電技術具有綠色、可再生和便攜的優勢,這些特性使 濕氣發電器件在自驅動設備中發電和應用方面具有重要前景。然而,目前的濕氣發電器件只能收集空氣中的濕氣能量,覆蓋地表更為廣泛的液態水源未能被該技術收集,極大地限制了濕氣發電能量收集效率和實際應用場景。


  上海交通大學機械與動力工程學院沈道智和合作者針對這一問題,在濕氣發電器件的結構中設計防水透氣膜層和離子吸濕層,防水透氣膜具有允許水蒸氣透過,防止液態水滲透的性能。離子吸濕層的水凝膠為嵌入檸檬酸(CA)介質的聚谷氨酸(PGA)聚合物網絡,當聚合物網絡吸收水分子時,會解離出帶電離子,聚合物網絡能夠限制大負離子的移動,這種輔助約束能夠促使正負離子分離,從而產生電輸出。研究發現,單個濕氣發電機可以在水下持續提供 0.55 V 的開路電壓和 130 μA cm-2 的峰值電流密度。而由于防水透氣膜的保護,即使在鹽濃度為10%、擾動流速為 1 m/s 和 > 40 kPa 液壓的惡劣水下環境中,器件仍然可以保持輸出。同時防水透氣膜和離子水凝膠膜成本較低,容易實現大規模制備。最后,展示了一種新型水下無線通信系統,該系統由濕氣發電器件提供動力,成功地為水中發射器供電,用于位置跟蹤器和無線遠程警報。



  研究者相信,此項研究為在水下收集水分能量提供了一條創新路線,表明水下濕氣發電器件設備有望為海洋物聯網一系列電子設備供能。相關論文在線發表在Advanced Science上。


  論文信息:

  Ionic Hydrogel-Based Moisture Electric Generators for Underwater Electronics

  Daozhi Shen*, Fangzhou Li, Jian Zhao*, Rui Wang*, Bin Li, Zechao Han, Linglan Guo, Peicheng Han, Dongqi Yang, Hyun Ho Kim, Yanjie Su, Zhixiong Gong, Limin Zhu

  Advanced Science

  DOI: doi.org/10.1002/advs.202408954

  原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202408954

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(責任編輯:xu)
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