東華大學俞建勇院士、覃小紅教授團隊在靜電紡納米纖維濕氣發電機領域取得新進展
近日，東華大學俞建勇院士、覃小紅教授團隊在靜電紡納米纖維濕氣發電機領域取得重要進展，相關成果分別以“具有持久1.1伏電壓輸出的納米纖維織物基離子梯度增強的濕氣發電機”（Nanofiber fabric based ion-gradient-enhanced moist-electric generator with a sustained voltage output of 1.1 volts）為題，發表于Materials Horizons；以“靜電紡納米纖維織物：一種高效、透氣、可穿戴的濕氣發電機”（Electrospun nanofiber fabric: an efficient, breathable and wearable moist-electric generator）為題，發表于Journal of Materials Chemistry A。東華大學為唯一署名單位，論文第一作者為紡織學院博士生孫朝陽，通訊作者為覃小紅教授、王黎明特聘研究員。
濕氣發電作為一種新興的綠色能量獲取方式，可以利用大氣環境中水蒸發或濕氣中的能量產生電能，在智能可穿戴領域引起人們的廣泛關注。然而，現有的濕氣發電材料缺乏必要的可穿戴性能如透氣性和舒適性，同時其低電壓輸出和復雜的制造工藝，阻礙了其實際應用。為此，研究人員以靜電紡絲技術作為制備濕氣發電材料的一種新策略，設計了一系列高性能的可穿戴濕氣發電機，在濕氣刺激下最高可達到0.83 V的輸出電壓，高于大部分報道的聚合物材料（圖1）。并闡明了其發電機理，靜電紡納米纖維膜優異的濕氣發電性能來自于多孔纖維膜內部的離子梯度差與流動電勢的共同作用。具有含氧官能團的濕氣發電材料在濕氣刺激下，電離出自由移動的氫離子，并借由在不對稱電極兩側形成的水分梯度差異形成離子梯度差異；此外納米纖維膜孔道結構中形成的基于雙電層的流動電勢的又對發電性能起到了增強作用。
圖1 靜電紡納米纖維膜的制備及其濕氣發電性能
基于上述原理，研究人員進一步通過對濕氣發電機的結構進行設計，提出引入活性金屬電極的新方法，顯著增強了靜電紡納米纖維膜內部的離子梯度差，從而大幅增加輸出電壓。如圖2所示，設計的新型濕氣發電機的發電電壓達到了1.1 V，并保持40000 s以上的時間不衰減。該濕氣發電機不僅可以通過串聯增強輸出電壓以帶動小型用電器，如商業二極管及電子手表。同時，制備的濕氣發電機還可以用于氨氣泄露檢測以及火災預警等災害預警系統，拓寬了靜電紡納米纖維基濕氣發電機的應用場景。以上工作為高性能濕氣發電材料的研發、濕氣發電機結構設計及其應用提供了新的研究思路。
圖2 設計的離子梯度增強型濕氣發電機與常規濕氣發電機性能對比
以上工作得到了國家自然科學基金、上海市教委科研創新計劃重大項目、中國科協青年人才托舉工程等資助。
文章鏈接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/mh/d1mh00565k
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ta/d0ta11974a
來源：東華大學
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