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中科院化學所宋延林研究員/李會增副研究員/趙志鵬博士 《Nano Energy》:獨立式雙電極摩擦納米發電機實現高效液滴能量收集
2023-04-18  來源:高分子科技
  基于水系統的清潔能源的收集與利用近年來已經取得了巨大進展。作為自然界中最常見的水的形式,運動液滴具有可觀的動能,如何高效利用這部分能量成為了值得關注的問題。DBE-TENGsDroplet-based bi-electrode freestanding TENGs, 獨立式雙電極摩擦納米發電機)提供了一個便捷、低成本的收集液滴能量的方法,然而,對于該類器件的電荷轉移機理和影響因素尚缺乏系統深入的探究。近日,中國科學院化學研究所的宋延林研究員、李會增副研究員和趙志鵬博士在《Nano Energy》上發表了題為“Two-orders of magnitude enhanced droplet energy harvesting via asymmetrical droplet-electrodes coupling”的研究論文。作者設計了一種簡單易制備的獨立式雙電極摩擦納米發電機DBE-TENGs(其介電層包括浸涂法制備與商用的聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物表面等),基于此揭示了DBE-TENGs中電荷轉移機制,闡釋了位置依賴的電流增強機理(高達兩個數量級,圖1),并將此機理應用于高效的液滴能量收集。 


圖1. 液滴撞擊到與電極間隙之間不同中心距離位置的電流輸出變化。


 圖2. 液滴撞擊位置與形成的界面電容的不對稱性。


  為了解釋基于位置增強的電流輸出的機理,作者結合液滴撞擊過程中的鋪展與收縮過程,構建了如圖2的界面電容模型。液滴接觸介電層之前,PTFE內部電容的電荷與銅電極形成平衡。而當液滴接觸PTFE之后,液滴與PTFE接觸的區域由于靜電誘導效應感應出正電荷,打破了之前的平衡,從而形成電流。而形成的界面電容的大小與液滴在兩個電極上鋪展的面積相關,于是,根據觀測不同撞擊位置液滴的鋪展面積就可以計算得到界面電容的大小關系。 


圖3. 液滴撞擊過程中的電荷轉移機制。


  根據電容的關系,作者進一步推導出了電荷轉移數目隨不同撞擊位置的變化規律(圖3)。推導結果與實驗測量的結果很好地吻合。同時,作者還對不同液滴撞擊位置中的電荷轉移過程進行了模擬,模擬結果也證實了之前的推論。該研究解釋了液滴在DBE-TENGs上的電荷轉移機制,也揭示了液滴撞擊不同位置時鋪展面積相同但其界面電容上感應的電荷差異巨大的原因。


  將上述的發現應用到液滴能量收集中,作者展示了在相同的液滴狀態和收集裝置下,僅僅改變液滴的撞擊位置就能夠顯著提高液滴能量收集的效率(圖4),這為液滴摩擦電能量收集提供了高效的新途徑。 


圖4. 雨滴能量收集的差異對比。


  原文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285523000496


通訊作者簡介:

宋延林

中國科學院化學研究所研究員,綠色印刷重點實驗室主任,中國科學院大學長江學者特聘教授。中國材料研究學會、中國印刷技術協會、中國感光學會、中國微米納米技術學會常務理事;國際電工協會印刷電子工作組專家,Research、Droplet 副主編, J. Mater. Chem. C、Infomat、Giant、Carbon Energy 等期刊編委。主要從事光電功能材料、納米材料與綠色印刷技術研究。作為首席科學家或項目負責人主持國家重點研發計劃、中科院戰略先導研究計劃等項目30余項。已發表SCI 收錄論文500余篇,H指數100,被引用35,000余次,并多次被Nature、Science 等作為研究亮點報道。主持和參加編寫英文專著15部,中文專著2部;獲授權中國發明專利100余項,美國、日本、歐盟、韓國等授權發明專利26項。獲 2008年和2005 年國家自然科學二等獎,2016年北京市科學技術一等獎;2006 年獲國家杰出青年科學基金資助。先后獲中國青年科技獎、中國化學會-阿克蘇諾貝爾化學獎、IEC1906獎、中科院杰出青年、中國科協求是杰出青年成果轉化獎、畢昇印刷技術獎和中華印制大獎等。入選首批科技北京領軍人才、中青年科技創新領軍人才、萬人計劃、國家百千萬人才工程及全國優秀科技工作者等。



李會增

碩士生導師,中科院化學所副研究員,主要從事功能材料圖案化、表面浸潤性和液滴操控相關研究。先后承擔國家自然科學基金面上項目、青年項目、中科院青促會、博新計劃、企業合作研發項目等。以第一/通訊作者在Angew. Chem. Int. Edit., Nat. Commun., Sci. Adv., Proc. Natl. Acad. Sci.等期刊發表論文20余篇。


第一作者簡介:



趙志鵬

于2022年在中國科學院化學研究所獲得博士學位,師從宋延林研究員。研究興趣是液滴操縱,三相界面調控與液滴能量的收集。目前于香港大學從事博士后研究。

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(責任編輯:xu)
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