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青岛能源所制备生物基纳米纤维气凝胶发电器件

发布日期:2019-07-11   

  济公高手论坛,随着能源危机和环境问题的日益加剧,绿色、可再生能源器件的研究和应用得到了全球的广泛关注。其中,太阳能、热能、机械能、风能、生物电化学能源等陆续被用来发电,在自供电系统和可穿戴领域有广泛的应用前景。然而,上述能源形式在应用上仍然有较多限制,例如太阳能发电装置需要持续光照;摩擦或者压力发电需要持续的相对运动,对材料与装置的机械性能要求较高。

  最近,湿气作为自然界和生物过程中广泛存在的资源正被用来发电,扩展了自然界中可用来发电的资源。然而,目前湿气发电主要是依靠碳纳米材料与水(水汽)的相互作用实现的。例如,曲良体等人将氧化石墨烯薄膜通过电化学方法处理后,膜上下表面的含氧官能团呈现出一种可控的梯度分布状态。这种含氧官能团的梯度分布结构,使薄膜一旦接触湿气,上下表面的湿度也会呈现出梯度排布,这会引发正负电荷分离并发生定向移动,从而使上下表面产生0.2V的电势差。但是,碳纳米材料的宏量制备难度较大、成本较高,复杂的器件结构也影响了大规模应用。低成本、高性能的湿气发电材料与器件研发依然是该领域研究的重点与难点。

  另一方面,在自然界中,很多生物体及人体生理过程中伴随着基于体液/组织液的生物电现象。例如,树液在树干中自下往上运输会产生流动电势;细胞膜由于内外离子及浓度差异,存在跨膜电势。尽管生物质产量巨大,成本低廉且绿色可再生,利用生物基材料与水/湿气的相互作用制备发电装置,仍然具有很大的挑战。

  近日,中国科学院青岛生物能源与过程研究所李朝旭研究组发现:生物质纳米纤维(纤维素纳米纤维、蚕丝纳米纤维、甲壳素纳米纤维、Amyloid纳米纤维等)气凝胶具有良好的空气吸湿性能。这主要是因为一方面生物基纳米纤维材料表面具有丰富的亲水基团(例如羟基、羧基、季铵基团、氨基等);另一方面基于开尔文毛细冷凝原理,纳米纤维的小尺寸效应(直径一般10nm)和气凝胶的层级孔道结构更有利于蒸汽的凝结(图1)。因此,当具有一定湿度(相对湿度50%)的气流通过该气凝胶时,蒸汽会以结合水和自由水的形式被气凝胶捕获,纤维表面羧基等基团解离进而在纤维表面形成双电层,气凝胶前后具有湿度差,前端湿气冷凝与后端的水分蒸发达到平衡,气凝胶内部表面和孔道中的溶液流动形成流动电势,从而制成生物基纳米纤维气凝胶湿气发电机。进一步研究表明该发电机基本符合斯莫鲁霍夫斯基流动电势公式(图2)。

  本研究制备的生物基纳米纤维气凝胶发电器件具有成本低、生物相容高、可降解等诸多优点,并且生物纳米纤维可以利用农林与渔业废弃物为原料制备。该器件适于小型可穿戴电子器件的供电,而且由于人体活动(呼吸、出汗等)有湿气产生,其发电信号可能与活动剧烈情况密切相关,有望用于自供电健康监测器件。该研究发表于近期的《先进功能材料》杂志上。