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              來源:Nano Research Energy 發布時間:2022/5/12 11:00:09
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              水分吸附-解吸全循環發電機:長期驅動商業電子設備

               

              水作為一種可回收資源,不僅對生命至關重要,而且還是地球上最大的能量載體、調節器和平衡器。無所不在的水文循環涉及在蒸發過程中從液態水轉變為氣態水(海洋的蒸發)以及在凝結過程中的相反轉變(云中的降水),這提供了巨大的能量交換(每年接近60 × 1015 W左右)。這種潛在的能量演變成多種形式,比人類活動的平均電力消耗高出幾個數量級,但卻很少有被利用。雖然最近已開發出濕氣發電技術以滿足孤立的離網區域的能源需求,但濕發電機(MEG)往往依賴于單一吸附過程提供電力輸出,這反映了其不可持續和非重復發電的瓶頸。一天中高相對濕度(RH)和低相對濕度之間的交替變化以及水文循環是一種常見的自然現象。由于濕發電機的高相對濕度和發電性能之間的嚴重依賴關系,根據動態環境中的相對濕度變化發電仍然現階段亟需攻克的巨大挑戰。

              鑒于此,清華大學化學系、Nano Research Energy(https://www.sciopen.com/journal/2790-8119)創刊主編曲良體教授與清華大學程虎虎研究員和中國科學院力學所劉峰研究員團隊共同提出了一種采用三維(3D)多孔可電離組件和周圍封裝的水分吸附-解吸發電機(MADG)。MADG不僅在高RH下發揮水分吸附發電,而且在低RH下基于離子擴散賦予水分解吸發電,分別由離子濃度差和離子水合能主導。與單一吸附過程的MEG相比,全循環MADG將吸附和解吸發電集成到一個閉環過程中,因此它可以提供可重復的發電性能,并將多功能的基于水分的能量轉化為電能。MADG單元可在100%RH(吸水)下產生~0.5V的高電壓和~100μA的電流,并在15 ± 5%相對濕度(水解吸)下提供電輸出(~0.5V和~50μA)。MADG中的最大輸出功率密度接近120mW/m2,實現了內部電阻和最大輸出功率密度之間的極好權衡。此外,MADGs可以直接提供足夠的電力來長期驅動商業電子設備和電化學過程,并在實際戶外根據動態相對濕度進行連續全循環發電。相關工作以“Moisture adsorption-desorption full cycle power generation”為題發表在國際頂級期刊《Nature Communications》上。

               

              發電材料的制備與表征發電裝置結構示意圖、工作原理及裝置照片如圖1所示。MADG由金電極、作為發電材料的3D可電離多孔組件和封裝層組成,其中上層金電極有孔以允許進入/去除水分。發電薄膜由海藻酸鈉(SA)、二氧化硅納米纖維(SiO2)和還原氧化石墨烯(rGO)組成,稱為SAG薄膜。SA起到解離可移動的Na+離子的作用。SiO2納米纖維有利于構建分級孔隙結構,促進水分子和離子傳輸以及在水中的機械穩定性。rGO用于組裝3D導電骨架和調節電阻。SAG薄膜能夠在~100%RH和40℃的測試條件下提供高達210%的吸水能力(圖2)。SAG膜的Na元素完全以可移動的Na+離子的形式存在,吸水率為167%,表明SAG薄膜具有高效的解離能力。受益于相互連接的3D骨架結構和豐富的移動離子,SAG薄膜與納米結構一起發揮出色的離子傳輸能力,并提供0.11S·m–1的離子電導率。

              圖1 MADG的設計。 

              圖2 SAG薄膜的結構和性能。

              MADG的發電特性及性能優化MADG發電原理是水合離子擴散,吸濕發電時受離子濃度差驅動,解吸發電時受離子水合能量支配(圖3)。在高相對濕度吸附發電過程中,設備中的水分從上到下逐漸增加,導致不對稱的水分吸附和Na+離子解離,形成離子濃度差并導致電力輸出。隨著器件的吸附飽和,離子將趨于均勻分布在最終狀態。隨后,飽和的MADG可以進行水分解吸發電。通過從大氣中定向吸附水分子,MADG可以在100%RH下產生高達0.5V的開路電壓和接近100μA的短路電流。水合的MADG在低RH(15 ± 5%RH)下自發地解吸水分子,產生約0.5V的開路電壓和約50μA的短路電流。與基于單一吸附過程的水分發生器相比,MADG不再受吸附平衡和高度依賴高RH等瓶頸的限制。具有77%高孔隙率的互連SAG薄膜具有驚人的吸水能力、水分子擴散系數、zeta電位和離子電導率(圖4),反映了其優異的水分子傳輸、離子解離和擴散。

              圖3 MADG裝置的發電。 

              圖4 影響MADG發電性能的因素。

              發電機制和MADG的應用作者提出以離子水合能為主的離子擴散解吸發電,主要依賴于兩點:(1)水合Na+離子數保持不變,僅周圍水分子數隨著含水量的減少而減少。(2)水合Na+離子與較多水分子結合的離子水合能低于水合Na+離子與較少水分子結合的離子水合能(圖5)。在自發吸附過程中,化學勢能的變化,合理地作為能源,可以轉化為電能和吸附熱。MADG裝置通過在解吸過程中將顯熱轉化為潛熱,能夠從周圍環境中提取熱能,從而產生電能和化學勢能的變化(圖6)。因此,用于MADG發電的能源是綠色和可再生的。此外,作者通過串聯21個單元,產生的電壓高達約11V,線性增加,平均每單元0.53V。16個并聯單元的電流輸出提升至約1.3mA,證明了MADG的縮放性能。MADG提供的電力能夠使用集成的6 × 3陣列為0.47、47或470mF的商用電容器充電至3V。MADG裝置連接到可旋轉板上,可以智能地自我轉換發電方式并提供~0.5-0.6V的連續電壓輸出,闡明了其在動態濕度環境下的適用性(圖7)。

              圖5 通過核磁共振實驗和理論計算驗證工作機理。 

              圖6 工作機理論證與能源探討。 

              圖7 MADG的應用。

               

              小結:作者一種基于多孔可電離組件的水分吸附-解吸發電機(MADG),它在高相對濕度下自發吸附水分,在低相對濕度下解吸水分,從而產生循環電輸出。MADG裝置在100%相對濕度(RH)下可產生約0.5V的高電壓和100μA的電流,在15 ± 5%RH下提供電輸出(約0.5 V和~50μA),并提供最大輸出功率密度接近120mW/m2。這種MADG設備可以傳導足夠的功率來照亮戶外應用中的路燈并直接驅動電化學過程。這項工作為多功能的基于水分的能量轉換提供了一條閉環途徑。

              文章信息:Wang, H. Y.; He, T. C.; Hao, X. Z.; Huang, Y. X.; Yao, H. Z.; Liu, F.; Cheng, H. H.; Qu, L. T. Moisture adsorption-desorption full cycle power generation. 2022, 13: 2524. https://doi.org/10.1038/s41467-022-30156-3.

              全文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-022-30156-3

              作為Nano Research姊妹刊,Nano Research Energy (ISSN: 2791-0091; e-ISSN:2790-8119; Official Website: https://www.sciopen.com/journal/2790-8119)于2022年3月由清華大學創辦,曲良體教授和香港城市大學支春義教授共同擔任主編。Nano Research Energy是一本國際化的多學科交叉,全英文開放獲取期刊,聚焦納米材料和納米科學技術在新型能源相關領域的前沿研究與應用,對標國際頂級能源期刊,致力于發表高水平的原創性研究和綜述類論文。2023年之前免收APC費用,投稿請聯系NanoResearchEnergy@tup.tsinghua.edu.cn。

              本文來源:高分子科學前沿

               
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