【原】长春工业大学《AFM》: 表面功能修饰调控水伏器件的功率密度

材料科学网 2024-03-17 发布于江西

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到目前为止，各种能量收集方法已经被开发出来，包括太阳能电池、摩擦纳米发电机、热电纳米发电机、压电纳米发电机和波能收集发电等。然而，这些能量收集技术经常伴随着阳光、摩擦、温度变化、压力和机械能消耗，所有这些都受到外部条件的限制。在各种清洁能源收集系统中，水诱导发电技术通过固体材料与水的相互作用提供了一种绿色能源收集方法。然而，基于以流电势为指导的器件，输出性能不足以驱动具有高功率需求的微电子设备。

为应对以上挑战，来自长春工业大学的研究人员报告了一种输出性能可调控的非对称水诱导电装置作为稳定的电源。将MWCNTs浆料涂覆在碳布上作为器件顶部电极，底部电极为Al片，中间被一层隔膜隔离开来。器件可产生0.71 V的电压和700 μA·cm^-2的电流密度输出，其功率密度输出为124.5 μW·cm^-2(2075 μW·cm^-3)。实验结果和模型计算进一步证实该器件运行机制为蒸发电势而不是流动电势。这种能量产生设备具有高度可持续性和环保性，并且性能可以很容易地扩展，仅需两个单元就足以为计算器供电。此外，首次报道了集成水伏特装置成功为纽扣型锂电池充电的实例，产生的电力还可以存储在电池和电容器中以供以后使用。该工作结合了非对称结构和可调性能，为高功率密度的水伏特器件构建提供一种高效的方法。

相关工作以题为“Surface Functional Modification for Boosting Power Density of Hydrovoltaic Devices”的研究性文章发表在Advanced Functional Materials。论文第一作者为长春工业大学硕士研究生刘彦辉，通讯作者为长春工业大学材料科学与工程学院吕威教授和王丽莹副教授。

论文链接：

https:///10.1002/adfm.202312666

图1 a) 水伏器件的制备与组装流程示意图。采用酸化的MWCNTs、导电炭黑和PVDF研磨成浆料，涂覆在碳布电极上表面作为顶部电极，底部电极为Al片，中间被一层隔膜隔离开来形成夹层结构水伏器件。b) 设备可直接为计算器、手表、灯泡和计时器供电或间接将能量储存于电池和电容器中的示意图。c) 单台CNTs/CB/PVDF@CC//Al器件可产生0.71 V的电压和700 μA·cm^-2的电流密度输出

图2 a) CNTs/CB/PVDF@CC//Al、CC//Al、PVDF@CC//Al和CB/PVDF@CC//Al四种不同器件的平均电压和电流输出。b, c) 10个CNTs/CB/PVDF@CC//Al器件的电压和电流误差带。d) 将装置放置在容器中密封和开封的示意图。e) 装置间歇性暴露于空气中的J_SC-t曲线。在密闭的容器中，输出电流下降；在开放的容器中，输出电流提高。f) 装置置于空气中，电流输出稳定，浸没在水中，器件的输出电流迅速下降。g) 倾斜角度对J_SC影响。顶部电极接触空气环境时电流输出稳定，顶部电极被遮盖时输出电流降低。h) 氧气浓度升高有助于提高器件J_SC输出。i) 器件在不同条件下的V_OC基本保持不变

图3 a) 利用红外相机记录太阳光模拟器下CNTs/CB/PVDF@CC和CC两种电极表面温度的示意图。b) 两种电极电流的产生与表面温度的关系。c) 不同条件下CNTs/CB/PVDF@CC电流值。ⅰ：干燥的CNTs/CB/PVDF@CC，ⅱ：润湿的CNTs/CB/PVDF@CC，ⅲ：光照湿润的CNTs-CB-PVDF@CC表面，ⅳ：光照浸没在容器内的CNTs/CB/PVDF@CC，ⅴ：加热干燥的CNTs/CB/PVDF@CC，ⅵ：用加热台加热湿润的CNTs/CB//PVDF@CC。d) 各顶部电极与不同金属产生的V_OC和J_SC。经MWCNTs涂覆的CC电极取得优异的电流输出。e) CNTs/CB/PVDF@CC器件工作时的CV曲线。f) 模拟Al-Air空气电池时得到的器件电流输出值。

图4 a) 模拟器件形成Al-Air电池的示意图。b) CNTs/CB/PVDF@CC//Al器件工作机理原理。c) 采用静电势表示水蒸发过程中的OH离子的生成过程。d, e) CC、CNTs和GO三种碳材料的功函数。f, g, h) CC、CNTs和GO与水和氧气相互作用时的三维差分电荷密度图。

图5 a) 随负载电阻的增加，器件V_OC输出增大，而J_SC输出降低。b) 器件在不同外部负载电阻下的输出功率密度曲线。c) CNTs/CB/PVDF@CC//Al器件与最近蒸发报道的电压和电流输出比较。d) 设备与最近报道的输出功率密度比较。e) 10个器件串联电压提高输出电压。f) 10个器件并联电流增强输出电流。g) 集成的2×2串并联器件产生的能量储存于锂电池中。h)单台设备为不同容量的电容器充电时的曲线。i) 2个串联器件驱动计算机工作；8个串联器件经过放大电路扩展至40V。

本研究成功设计了一种非对称型的夹层结构水诱导发电装置，采用碳材料修饰电极界面策略来调控水伏装置的功率输出。经过紫外处理的复合电极不仅增强与水的相互作用，而且还增加了电极表面积并提高了器件的蒸发速率。该灵活的水伏设备设计方式，展现出器件在功率输出上和实际应用上具有突出的优势。这种成本低、无污染且可持续的诱导电装置为新型能源收集技术提供了一种有效途径。