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【Nature Communications】基于液滴和液膜的摩擦電納米發電機
發表日期: 2019-05-23 文章來源:
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  2012年王中林課題組發明了摩擦納米發電機以來,摩擦發電技術成為一種能源收集的主流技術。迄今為止,摩擦納米發電機已經實現了在各種界面收集摩擦運動能量,例如通過固-固界面摩擦實現自驅動傳感和多種形式的機械能的收集等,通過固-液界面摩擦實現波浪能收集和雨滴發電等。然而,基于液-液界面接觸分離實現能量收集的研究卻幾乎沒有報道。而背后的主要原因可以歸結為,液-液界面的摩擦納米發電機有兩個很難克服的瓶頸。首先是必須實現液體與液體之間流暢的分離運動。由于液體分子間相對作用力較弱,加上液體具有流動性,當兩種液體接觸以后很容易相互融合,而很難實現有效分離。如果選用油和水之類的不相融液體可以實現靜置的分層,但分離過程卻不夠順暢,液體的選材種類也受到了限制。另一方面,分離后的液-液界面,通常很難帶有明顯的兩種相反的電荷,這與固體間接觸分離不同。因此,如何實現連續的電荷輸出也成了一個必須要克服的困難。針對這一問題,中科院北京納米能源與系統研究所陳翔宇研究員和王中林院士領導研究團隊,開展了利用可滲透的懸浮液膜作為輸出電極的摩擦納米發電機的研究。2019522日,他們在Nature Communications 上發表了題為 “Power generation from the interaction of a liquiddroplet and a liquid membrane”的論文,文章鏈接為https://www.nature.com/articles/s41467-019-10232-x ,其中陳翔宇研究員和王中林院士為共同通訊作者,聶錦輝博士為第一作者。 

  該論文報道了一種基于液滴和液膜的摩擦納米發電機,實現了利用液-液界面的接觸分離來發電的方法。研究創新點在利用高彈性的導電液體膜作為一種可滲透電極,實現了非常順暢的液-液分離。這種分離的方法可以應用于各種相融與不相融的液體,同時也可以收集運動固體帶有的機械能量。對于常規體積的液滴和固體而言,這種可滲透的電極幾乎不會改變它們的運動速度和軌跡,而液膜的自修復特性可以在連續的穿越過程中保證其自身的穩定性。研究者通過調節多種表面活性劑和助劑配置了液膜液體,使液膜在持續水流沖擊或者持續液滴穿透的情況下,壽命保持在5分鐘以上。之后,利用一個蓄水罐結構來補充液膜的消耗損失,可以讓這種發電機在持續工作數個小時以上。 

  研究者利用懸浮的液體薄膜開發了兩種模式進行電能收集:接地模式和預充電模式。在接地模式下,液膜可以有效收集穿過液膜物體的表面電荷,包括液滴、水流以及固態物體。因此,這種結構的液膜也展示出作為一種可穿透的靜電傳感器或者電荷收集器的應用。單層液膜對物體表面靜電荷的收集率可以達到95%以上,而雙層疊加的液膜可以幾乎收集100%物體表面的靜電荷。但是,如果運動的液滴或者物體完全不帶電,接地模式的液膜就不能實現能量輸出。因此,研究者又進一步研究了預充電模式的液膜。該模式是在與接地端相連的液膜周圍引入一張帶強靜電的高分子膜(高分子膜的表面電荷來自于預先的摩擦起電),使與地相連的液膜上感應出正電荷。每一滴穿過液膜的液滴都會從液膜上帶走一定量的電荷,而同時新的電荷又會從接地端輸運回液膜表面,這個過程就可以實現連續的位移電流輸出,完成對機械能的收集。預充電模式下,一滴完全不帶電的40微升的水滴穿過一層液膜,可以產生4伏以上的開路電壓和1~2納庫的轉移電荷量。通過疊加多層膜結構,它的總輸出能量可以得到成倍的提升。研究者在論文的附件材料里詳細解析和計算了液滴穿過液膜的過程中受力的變化、機械能的損失以及靜電能量的生成機理。同時,他們還研究了液滴穿過液膜不同位置時,動能和輸出電能的變化過程。 

  該液-液摩擦電納米發電機拓展了納米發電領域的一個缺失的方向,進一步完善了其應用領域。同時,液膜材料也是首次被應用于能量收集技術,這對于研究微液膜動力學等方向的研究者而言也是一個新的嘗試。與傳統的基于固液界面的摩擦納米發電機相比,這種液-液發電的方式帶來的摩擦阻力幾乎可以忽略,既能減少機械能量的損耗又可以在不改變物體運動軌跡的情況下獲得電能,可以用于許多特殊的目標,包括雨滴、灌溉系統、微流體輸運系統和微小顆粒的收集等等。 

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