北化尹梅贞教授教授团队《ACS AMI》：自发且持续的湿度驱动振荡器用于能量收集

2022-09-01 来源：高分子科技

水蒸气作为自然界中广泛存在的清洁能源，如何将其自发且持续的转化为电能是一个重大挑战。软体驱动器因其能够将外部刺激源的能量转化为宏观形变的机械能而被广泛研究。这为水蒸气的能量转化提供了方向。因此，设计并实现一种能够在水蒸气的刺激下，自发且持续的实现能量转化的软体驱动器是难点之一。

近日，北京化工大学材料科学与工程学院尹梅贞教授教授团队基于湿敏性聚合物琼脂糖和有机染料螺吡喃制备了一种能够在水蒸气刺激下自发且持续振荡的软体驱动器；并且该驱动器具有优异的光致变色和微弱的水蒸气诱导变色现象；最终实现了自发且持续的电能输出及可光控智能窗户系统（图1）。

图1：不同厚度、尺寸及负载重物下的湿度驱动自振荡模型图；智能光控窗户系统和持续发电模型图。

通过研究不同厚度、不同尺寸及不同负载重物的条件下，水蒸气驱动的自振荡行为。结果发现随着厚度增加，软体驱动器的自振荡行为变弱，振幅变小；反之，薄膜的力学性能增强，这是导致其水蒸气驱动效果变差的关键因素（图2）。

图2：不同时刻下，不同厚度SP@AG膜（20 × 4 mm）的湿度驱动自振荡运动截图及应力应变曲线。

随着尺寸的增大，湿度驱动自振荡的行为变的更加优异，这是由于薄膜与水蒸气的接触面积成倍增加，使得所受到的湿度驱动力增大而导致的。最大震荡幅度可达98°（图3）。

图3：40 mm × 8 mm × 60 μm的SP@AG膜在水蒸气驱动下不同时刻的自振荡运动截图。

薄膜重22.4 mg，当薄膜尖端负载重物达116 mg（约膜重的5.2倍）时，湿度驱动的自振荡效果最佳，震荡幅度跨越180°（图4）。

图4：40 mm × 8 mm × 60 μm的SP@AG膜尖端负载116 mg重物时水蒸气驱动自振荡行为。

综上所述，薄膜尺寸增大或负载一定重物都有利于湿度驱动自振荡运动的增强，这种具有优异的自发和持续的运动方式有利于实现电能的持续输出，实现了约30 mV电压的输出；并且优异的变色和湿敏性质使其适用于调节室内外湿度及保护隐私的智能光控窗户系统（图5）。

图5：应用：智能光控窗户系统和持续电能输出。

这项研究工作不同于以往的湿度驱动的软体驱动器无规翻滚的运动方式，实现了自发且持续的振荡运动，并且能够在湿润滤纸、手指和环境湿度波动下实现自发持续的振荡运动，为水蒸气的收集利用提供了新的思路。该研究工作以“Spontaneous and Continuous Actuators Driven by Fluctuations in Ambient Humidity for Energy-Harvesting Applications”为题发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。文章第一作者是北京化工大学材料科学与工程学院硕士生王乾，尹梅贞教授和郭金宝教授为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、北京市自然基金等项目的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.2c11944

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（责任编辑：xu）

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