|
由于水中蕴含着大量的清洁能源，水力发电技术正受到越来越多的关注。水蒸发发电技术尤其具有吸引力。在水蒸发的辅助下，水通过多孔介质，在固液界面处存在双电层(EDL)，可以获得流动的电流和电压，这被称为电动力学效应。由于排列的生物聚合物具有多孔性和各向异性结构，并富含极性官能团(羟基、羧基和酚)，木材可以用作水蒸发辅助发电机。然而，由于空木材通道的直径可达200 μm，而在高盐浓度下EDL厚度可小于1 nm，因此空木材通道的优势尚未得到充分发挥。此外，木材生物聚合物的实际应用还受到致密细胞壁难渗透的限制。 在此，来自瑞典皇家理工学院的Yuanyuan Li团队通过使用氢氧化钠对木材进行一步处理，制备了高多孔木材(纳米工程木材)，用于高性能的水力发电。由于在管腔内形成纳米纤维网络的介孔结构，多孔木材获得高的比表面积(> 180 m2 g−1)。此外，引入的化学功能团可以增强水的细胞壁渗透性，并响应pH诱导的电荷解离，使得纳米工程木材的装置在去离子水中达到140 mV电位。基于生物质和绿色化学，木材发电机为未来可持续能源系统提供了潜在的解决方案。相关论文以题为“Advancing Hydrovoltaic Energy Harvesting from Wood through Cell Wall Nanoengineering”发表在Advanced Functional Materials上。 论文链接： https:///10.1002/adfm.202208933 图1. 木材动力发电机的形成示意图。左边描绘了木材的自然吸水蒸腾情况及其等级结构。原生木材的一步处理导致木材在管腔内形成纳米原纤化网络及丰富的官能团。最后的水伏能量收集设备显示在操作中。通过一步化学处理，将原生木材(NW)浸入水/NaOH混合物中，制备了用于水力发电的高孔纳米工程木材。此外，还制备了无木质素的多孔木材作为参考，通过脱木质素来验证木质素的作用，称为脱木质素木材(DW)。进一步用NaOH处理(DW-NaOH)，在局部溶解过程中，木材细胞壁物质部分溶解并扩散到管腔。加入水后，溶解的物质沉淀，在空腔内形成纳米纤维结构和多孔的细胞壁，如图2a-d所示。图2. a-d) 木材样品的形态(NBa、NBa-NaOH、NBi-NaOH和DW-NaOH)，e) 所有木材样品的密度和孔隙率，f) 所有木材样品的碳水化合物和木质素含量。图3. a) 2D小角度x射线衍射图和b) 木材样品(NBa、NBi、DW、NBi-NaOH、NBa-NaOH、DW-NaOH)在水中的相应一维散射谱；c) 物理吸附孔径分布和d) 比表面积；e) Kratky图。扫描电镜图像为f) NBa-NaOH腔内的纳米纤维网络和g) NBa-NaOH细胞壁结构。利用木材样品从自发水蒸发中收集水力发电能量。如图4a所示，当Voc达到稳定值时，在DI水中工作的NBa和NBi分别记录了-10和-33 mV。Isc则与材料的密度密切相关，NaOH处理后，NBi-NaOH的Isc最高，为≈−0.28 μA。当木材样品被引入pH值为13.4的NaOH电解液时，其性能得到了显著提高(图4d)。因此，从水体中的NBa到NaOH储层中的NBa-NaOH，Voc增加了55倍。在电解液中获得更高的性能是由于离子浓度梯度在木材上引起的离子扩散。如Figure 4f所示，NBi-NaOH和NBa-NaOH的Isc增加了≈7 μA。NBa-NaOH电流的改善归因于化学扩散速度的加快，这可能是由较高的SSA和较低的密度引起的。图4. a) 1.5 cm2面积的NBi、NBa、DW-NaOH、NBi-NaOH、NBa-NaOH样品在DI水中达到稳定值后的Voc比较。b) 处理后的样品在去离子水中16小时的Voc。c) 去离子水中所有样品的常数Isc。d) 去离子水和pH 13.4 NaOH溶液中NBa和NBa-NaOH的Voc。e) pH为13.4 NaOH溶液中NaOH处理样品30 min时的Voc值。f) pH为13.4 NaOH溶液中NaOH处理样品30 min时的Isc值。木材表面官能团的状态影响发电。当在pH为13.4的NaOH介质中运行时，得到的Voc为≈200 mV(图5a)。当同样的样品在HCl溶液中进行预处理时，记录到的Voc值为≈550 mV。同时，与制备时的≈2 μA相比，酸预处理后的电流达到了≈7 μA(图5b)。从图5c中可以观察到，循环> 10次后，NBa-NaOH既没有结构恶化，也没有性能损失，这归因于运行后的脱质子样品可以在弱酸中再次进行质子化还原(图5d)。Figure 5h显示了发电机理。其中，NaOH处理木材的多孔细胞壁和介孔纤维网络表现出较高的SSA和孔隙率，诱导出强大的毛细力。当水通过由水蒸发驱动的多孔介质时，由于在固液界面处存在EDL，可以获得连续流动的电流和电位。图5. a) pH为13.4的碱性储层下入前质子化对Voc的影响；b)后续对Isc的影响。c) NBa-NaOH样品在pH为13.4的碱溶液中的循环性能。d) 质子化/去质子化机制的FT-IR, e) 不同pH下的Voc。f) NBa-NaOH和DW-NaOH在滴定下显示的ζ电位。g) pH差较大的Voc比较。h) 通过放大纳米原纤化网络和蒸发辅助流动来说明溶液中的木材样品。可伸缩性对设备的实际应用至关重要。如图6a所示，在水中组装了一个基于4×4 cm2的NBa-NaOH器件。稳定的Voc值为≈140 mV，甚至高于1.5 cm2样品的Voc值，同时获得了>6 μA的优异Isc。在功率密度方面，NBa-NaOH在水中的最大输出功率≈7 nW cm−2(图6b)。在碱性环境下运行时，Voc≈550 mV，Isc≈7 μA，输出功率≈0.62 μW cm−2，这是文献中通过水蒸发产生的功率输出最高的材料之一(图6c)。图6d显示了一个由六个1.5 cm2的NBa-NaOH基器件串联而成的LED，这个设置也能够为带有LCD屏幕的计时器供电，如图6e所示。图6f展示了NBa-NaOH基木材电源在200~300 s内将1000 μF容量的商用电容充电到2.2 V的过程。图6. a) NBa-NaOH基装置在水中的Voc和Isc。b) NBa样品在水中的功率密度。c) NBa-NaOH样品在水中的功率密度。d) 在pH为13.4时，用6个质子化NBa-NaOH样品连接和断开电路时的LED照明。e)用六个基于NBa-NaOH的器件为定时器供电。f) 使用6个NBa-NaOH样品对电容器充电。总的来说，本研究采用一步NaOH处理水蒸发致电法，通过细胞壁部分溶解和再生，合成了管腔内填充纳米纤维网络的高孔木材。高的比表面积和孔隙率作用于水系毛细管流动，从而改善固液相互作用，而NaOH处理后酚基的产生增强了表面电荷，进一步有助于发电。因此，在中性pH条件下，NaOH处理过的木材的开路电位和短路电流比原生木材提高了约10倍。当在碱性电解质中工作时，其电势、电流和功率密度分别为≈550 mV、≈7 μA和≈620 nW cm−2。进一步增加木材(pH1)和蓄水池(pH13.4)的pH差，Voc达到1 V，功率输出达到1.35 μW cm−2。在这种情况下，表面化学和pH值差异都对性能至关重要。这项工作的结果为通过绿色纳米工程技术使用生物材料的可持续能源系统发展提供了思路。(文：Meiko)
|
