清华机械系曲良体教授团队在湿气产电领域取得重要进展
清华新闻网10月12日电 10月9日,清华大学曲良体教授和程虎虎助理研究员团队在《自然通讯》(Nature Communications)上发表题为(Interface-mediated hygroelectric generator with an output voltage approaching 1.5 volts)的研究论文。该论文发展和构建了一种新型的湿气发电材料和器件(hygroelectric generator, HEG)。该研究建立了异质结构的氧化石墨烯材料的制备方法,利用其对湿气变化超灵敏的特点,通过界面设计辅助和调控内部载流子的输运行为,首次将单个湿气发电器件的输出电压提高到1.5 V,并且成功为商用的用电器件进行供电。
新型的能量转化与存储技术对于社会的发展起着极其重要的作用。人类生活的环境中存在大量的能量源泉,比如太阳能、风能和水能等,人们已经成功开发了太阳能电池、风力发电机和水力发电机等将这些能量转化为电能,为日常活动提供便利。然而,将自然界中水分扩散过程直接用于产生电能并不多见。
本项研究工作开创性地利用氧化石墨烯作为基础材料,通过激光加工技术实现了材料内部含氧官能团的异质分布,辅助界面设计构建肖特基结进行载流子的运动调控,建立了一种全新的湿气产电器件,实现了湿气扩散直接转化为电能的过程。在湿气刺激下,单个器件(亚厘米尺寸)可以产生高达1.5V的电压(与商用的纽扣电池相当)。此外,通过简单的层层组装进行有效的串联,实现了高达18V的输出电压,能够成功为商用的LED阵列和数码管供电。该工作开发了一种全新的湿气产电器件,为设计高效、高输出的新型能源器件奠定了基础,作为一种新型清洁能源器件,展现出巨大的应用前景。
(a)湿气发电器件串联示意图;(b) 输出电压随器件串联数量的变化;(c) 湿气发电器件给商用的电容器充电;(d–f) 湿气发电器件为发光二极管阵列和数码管等电子元器件供电
近年来,研究团队专注于先进材料和新型微纳器件,及在能源、环境等领域的应用研究。在湿气产电领域开展了大量原创性工作,并取得了多项重要成果。前期工作发表在《先进材料》(Advanced Materials)、《能源与环境科学》(Energy & Environmental Science)、《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition)、《先进功能材料》(Advanced Functional Materials 、《纳米能源》(Nano Energy)等知名国际期刊上。
清华大学机械系2016级博士生黄亚鑫为本文第一作者,曲良体教授和程虎虎助理研究员为本文的通讯作者。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。
论文链接:
https://www.nature.com/articles/s41467-018-06633-z
供稿:机械系 编辑:华山 审核:襄楠
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