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福州大學賴躍坤教授團隊 AFM:具有寬工作范圍的光輔助多質子解離PAAm-PA水凝膠濕驅動發電機
2024-10-30  來源:高分子科技

  在能源危機和全球變暖的持續威脅下,追求可持續綠色能源已成為一項緊迫的挑戰,直接從環境中獲取能源為此提供了有效的解決方案,基于光伏、壓電、摩擦電和熱電原理的新技術不斷涌現。鑒于大氣水分的廣泛存在,以及納米材料科學的發展,使得水汽誘導發電(MEG)成為可能,能夠將水中的化學能直接轉化為電能。由于大氣水分蒸發的普遍存在及自發性,濕氣發電在自供電系統里具有獨特的優勢。


  近期,受植物協同吸收水分和陽光進行光合作用的啟發,福州大學賴躍坤教授團隊通過引入具有強電離能力的植酸(PA)和光敏劑,制備高效的光輔助濕氣發電水凝膠(L-MEGH)。磷酸根基團賦予凝膠三維網絡結構,以改善其機械性能和質子電離能力。在光照-濕氣條件下,能夠實現更高的電力輸出,實現晴天-陰天全天候發電。PAAGLE凝膠表現出良好的吸濕性(73.1%)、水分保持能力和穩定性,能夠在不同濕度環境中實現不同的電力輸出性能。在模擬陽光強度照射下,輸出電壓從0.675 V增加至0.838 V,增幅達24%,短路電流(Isc)性能提升50%。此外,制備的復合凝膠在-20℃下仍能保持0.514 V的電壓輸出,在50℃下能維持0.7 V的電壓輸出,持續時間達45小時。


圖1. (a)復合水凝膠結構示意圖,(b-d)不同組分水凝膠及SEM圖片,(e)暴露于陽光下,非對稱濕氣誘導發電結構吸濕-發電示意圖,(f)不同溫濕度條件下,制備的濕氣發電設備連續產電180 h的電壓輸出。


圖2. (a)水凝膠中H+擴散動態照片,(b, c)光敏劑增強水凝膠濕氣發電性能示意圖,(d)引入光敏劑前后紫外可見分光光度計測試圖譜,(e)不同組分水凝膠電化學阻抗圖譜,65%濕度條件下,(f, g)光照對PAAGL以及PAAGLE輸出電壓的影響,(h, i)光照對PAAGL以及PAAGLE輸出電流的影響。


圖3. (a)水凝膠底層旋涂PEDOT:PSS保證碳布電極與凝膠緊密接觸,(b)有無PEDOT:PSS層,凝膠產電性能對比,(c)本工作與已發表論文性能對比,(d)制備的凝膠為可穿戴柔性電子設備供電,(e)可擴展72個凝膠單元串聯輸出電壓56.5 V,(f-h)制備的凝膠基濕氣發電設備用于小燈泡供電,手機充電以及測試心率。


  集成的L-MEGH能夠在可穿戴設備中為戶外活動的各種設備供電,包括燈泡、手機和健康監測器。這為應對日益加劇的能源危機和減少溫室氣體排放提供了一種創新的綠色能源收集技術的新方法。


  本工作以“Light-Assisted Polyproton Dissociated PAAm-PA Hydrogel-Based Moisture-Driven Electricity Generator with a Broad Operating Range”為題,發表在《Advanced Functional Materials》上。論文第一作者為程燕博士(現為中國科學技術大學博士后),碩士生楊程為共同第一作者,通訊作者為福州大學賴躍坤教授黃劍瑩教授,安徽農業大學朱天雪教授參與此工作。該工作得到國家自然科學基金(22375047, 22378068, 22302110, 22075046),國家重點研發計劃(2022YFB3804905, 2022YFB3804900),福建省自然科學基金(2022J01568),中國博士后科學基金(2023M743437)的支持。


  原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202415533


通訊作者簡介


賴躍坤,福州大學教授\博導,國家科創領軍人才,英國皇家化學會會士FRSC。2018-2023連續入選科睿唯安“全球高被引科學家”(材料學科和交叉學科領域),福建省“閩江學者”特聘教授,省“杰出青年”基金、“百人計劃”項目獲得者。長期從事多相分離與過濾純化、環境與能源化工催化、仿生表界面特殊浸潤性膜層開發等方面研究。發表國內外知名期刊上合作發表SCI論文200多篇, SCI論文引用23000余次,h-index為88。申報發明專利50余項,包括10項PCT國際專利,已授權美國專利1項和中國發明專利20余項。擔任國際化工主流期刊Chemical Engineering Journal期刊Editor, Polymers期刊專題主編(Section Editor-in-Chief),以及Green Energy & Environment, Advanced Fiber Materials, 物理化學學報, Nanomaterials和Scientific Reports等期刊編委。


黃劍瑩,福州大學教授,博士生導師。致力于功能性紡織纖維材料、油水分離材料、浸潤性仿生材料及其多相過濾分離應用研究,主持參與科研項目10余項。在Energy Environ Sci、Adv Mater、Adv Funct Mater、Small、Chem Eng J、J Mater Chem A等期刊發表論文150余篇,ESI高被引論文20余篇,論文引用15000余次;入選2019-2022年全球高被引科學家榜單、福建省高層次創新創業人才(B類)、泉州市高層次創新創業人才(第二層次)等。

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(責任編輯:xu)
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