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四川大學(xué)鄧華/傅強(qiáng)團(tuán)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(fù)合氣凝膠
2023-07-17  來源：高分子科技

  如今，為了緩解化石燃料造成的能源危機(jī)和環(huán)境污染，綠色可再生能源（如太陽能、水電和風(fēng)能）的研究發(fā)展迅速。然而，受氣候、地理和設(shè)備尺寸的限制，上述能量路由器在設(shè)備小型化和實際應(yīng)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(dǎo)發(fā)電，這將大大擴(kuò)大可持續(xù)的電力來源。濕氣發(fā)電機(jī)（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(yīng)用仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。


  四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院傅強(qiáng)教授團(tuán)隊利用湍流剪切沉淀、自組裝和冷凍干燥等方法，設(shè)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(qiáng)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(kuò)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(shè)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(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院的博士生張學(xué)忠，通訊作者為鄧華教授和傅強(qiáng)教授，該研究得到國家自然科學(xué)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(yīng)用示意圖


  上述工作是該團(tuán)隊在制備高性能MEGs上的最新進(jìn)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(tuán)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(jìn)行復(fù)合，并探索了其在MEGs方面的可能應(yīng)用。在過去的兩年，團(tuán)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(kuò)散的可行性。


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

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