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逆天!雨滴也能發電?
2018/7/25 15:27:12


“好雨知時節 當春乃發生”

從古至今,雨水就一直滋潤萬物!

 在這小小的雨滴中,在科學家眼里,則蘊含著無數的能量

       ——雨滴發電!

近日北京科技大學張躍教授課題組制作了一種可穿戴的自清洗和自充電的電力系統(SPS),并且設計成一款電力雨衣,將水能轉化為電能,持續地為發光二極管(LED)供電,實現了整個自供電系統。


    SPS由一種具有兩憎性表面的液壓摩擦電納米發電機(H-TENG)和幾個纖維狀超級電容器(FSCs)組成。通過合成a-Fe2O3/reduced graphene oxide 復合材料作為FSCs的活性材料以實現其高效性。


如下圖1a所示:SPS包含了兩個主要部分,一個是聚四氟乙烯(PTFE)表面涂上兩憎性涂層的H-TENG,另一個是四個嵌入式的FSCs。SPS的背面用聚二甲基硅氧烷(PDMS)包裹起來,防止水的滲透。SPS將水滴能量轉化為電能,并將其儲存在FSCs中。

1 sps的結構和自潔性能


1b顯示一些液體在H-TENG涂層表面的液滴照片。水、礦物油、汽油液滴在表面呈球形,易于滾動,不易附著。圖1c是H-TENG涂層表面微觀結構的掃描電鏡圖像(SEM)。H-TENG的涂層表面由許多納米級的顆粒和氣孔組成,采用噴霧法制備。圖1d所示,水,礦物油和汽油的接觸角(CAs)分別是115.53°,114.64°,109.05°。

為了驗證H-TENG的自清潔效果,在相同尺寸的(1cm *1 cm) H-TENG 和PTFE表面上沾染活性炭,將H-TENG和PTFE傾斜45°,用5毫升的水注射至表面進行清洗。

1e,f所示,在初始狀態下,照片顯示H-TENG和PTFE表面均為白色。活性炭隨機噴灑后,表面均被污染為黑色。清洗結束后,H-TENG表面活性炭被清洗掉,PTFE表面仍為黑色。在實際應用中,可以通過雨水或自來水達到清洗效果。

 

H-TENG的工作原理


當水滴從空中落下時,由于與空氣接觸帶電或粒子漂移,會摩擦產生電荷。我們選擇幾個帶正電的水滴來說明能量產生的動態過程,如圖2a-i。H-TENG表面與水相互作用后,保留了一層長時間不會消散的負表面電荷。當帶正電荷的水滴接觸到H-TENG表面時,正電荷會屏蔽H-TENG表面的負的摩擦電荷。電極A和電極B產生相反的極性電荷,導致電極之間的不平衡電勢驅動自由電子從A向B流動直至達到平衡如圖2a-ii。隨著水滴不斷流動,自由電子從B極流向A極,如圖2a-iii,直到兩個電極上的電荷被逆轉,如圖2a-iv。如果水滴與H-TENG周期性地接觸和分離,可以提供連續的電力輸出。

 

3 FSCs活性材料的對比


通過制備FSCs有效地儲存了H-TENG采集的能量,采用a-Fe2O3/RGO復合材料作為FSCs的活性物質。圖3b是幾種活性材料 (GO,RGO,a-Fe2O3,a-Fe2O3/RGO)的x射線衍射圖(XRD)。為了驗證a-Fe2O3/RGO是具有優勢的FSCs的活性材料,如圖3 c所示,通過比較不同活性材料/碳纖維(CF)(a-Fe2O3/RGO,a-Fe2O3,RGO,空白CF)的循環伏安曲線,收集的掃描速率100 mV s-1,可以看出a-Fe2O3/RGO復合材料比其他材料達到了更高的電容電流,顯示了a-Fe2O3/RGOFSCs 優越的電化學性能。

 

4 SPS應用在電力雨衣中


4e,f顯示的是以SPS為基礎設計的電力雨衣,其胸前有紅色的LED。當電力雨衣的H-TENG部位被水淋到時,H-TENG就會采集水,將其轉化為電能。當用水淋浴100S后,LED就會被點亮,放電時間可以超過300秒。

綜上所述,張躍教授課題組通過H-TENG和FSCs設計了可自清洗和自充電的電力系統(SPS),并在實際的電力雨衣中實現應用。

后期若應用在光伏發電上,晴天和雨天皆可發電。對于自然資源日益匱乏的今天,將是歷史性的突破!


文章中用到a-Fe2O3/RGO作為FSCs的活性材料,其制備原料中有來自先豐納米的氧化石墨烯

論文標題:

An Amphiphobic Hydraulic Triboelectric Nanogenerator for a Self-Cleaning and Self-Charging Power System

IF: 19.791



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