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四川大學鄧華/傅強團隊《Energ. Environ. Sci.》：用于超高性能濕氣能量收集的雙梯度結(jié)構(gòu)復合氣凝膠

2023-07-17 來源：高分子科技

關(guān)鍵詞：濕氣發(fā)電機氣凝膠聚合物樹枝狀膠體雙重梯度結(jié)構(gòu) 高性能

如今，為了緩解化石燃料造成的能源危機和環(huán)境污染，綠色可再生能源（如太陽能、水電和風能）的研究發(fā)展迅速。然而，受氣候、地理和設備尺寸的限制，上述能量路由器在設備小型化和實際應用方面仍然存在顯著的局限性。如果自然界和生活過程中無處不在的潮濕空氣能夠誘導發(fā)電，這將大大擴大可持續(xù)的電力來源。濕氣發(fā)電機（MEGs）利用水分子和活性材料之間的相互作用產(chǎn)生流動潛力，展示了綠色、可再生和便攜的優(yōu)勢。然而，受限于輸出功率的限制，MEG的開發(fā)和實際應用仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

四川大學高分子科學與工程學院傅強教授團隊利用湍流剪切沉淀、自組裝和冷凍干燥等方法，設計了一種基于聚合物樹枝狀膠體和單壁碳納米管（SWNT）的含有雙重梯度結(jié)構(gòu)的高性能、長持續(xù)時間的MEG。聚合物樹枝狀膠體及表面的單壁碳納米管形成了仿生“核殼”結(jié)構(gòu)，增強了水和單壁碳管之間的接觸和相互作用。羧基化單壁碳納米管和氨基化單壁碳納米管在氣凝膠內(nèi)部構(gòu)件了從-30.2到+27.6 mV的超高離子密度梯度，從而有效地驅(qū)動載流子的擴散并改善了MEGs的最大輸出功率。同時，利用不同聚合物樹枝狀膠體，在氣凝膠內(nèi)部構(gòu)建了具有不同親疏水性能的親水性梯度，顯著改善了水和載流子的持續(xù)傳輸能力，保障了MEGs能夠在高濕環(huán)境下穩(wěn)定持續(xù)供能。通過上述設計，該氣凝膠基MEGs實現(xiàn)了約32.59 μW·cm^-2實際功率和超過120 h的輸出時間，有望兼顧高功率和長持續(xù)時間，為新型高性能MEGs的開發(fā)提供了一種新思路。該MEGs在濕氣發(fā)電領(lǐng)域在能量密度和功率密度方面都實現(xiàn)了領(lǐng)先。該工作以“Double gradient structured composite aerogels for ultrahigh performance moisture energy harvesting ”發(fā)表在《Energy & Environmental Science》上。文章的第一作者是四川大學高分子科學與工程學院的博士生張學忠，通訊作者為鄧華教授和傅強教授，該研究得到國家自然科學基金委的支持。

圖1. 氣凝膠基MEGs的制備流程示意圖

圖2. 離子密度和親水性梯度對氣凝膠濕氣發(fā)電性能的影響

圖3. MEGs的模擬及應用示意圖

上述工作是該團隊在制備高性能MEGs上的最新進展。為解決傳統(tǒng)加工技術(shù)普遍存在的填料功能性降低的缺陷，該團隊發(fā)展了聚合物剪切沉淀的技術(shù)，并將其與功能性填料進行復合，并探索了其在MEGs方面的可能應用。在過去的兩年，團隊制備了一種基于多壁碳納米管/聚氨酯樹枝狀涂層的海綿（Chem. Eng. J.，2022, 438, 135659），證明該技術(shù)用于MEGs具備可行性。隨后通過構(gòu)建不對稱離子密度梯度，制備了多種高性能MEGs（Nano Energy, 2022, 98, 107241; Adv Funct Mater, 2023, 33, 2210027），證實了離子梯度結(jié)果驅(qū)動載流子擴散的可行性。

原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2023/EE/D3EE00981E#!

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（責任編輯：xu）

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