四川大学邓华团队《Adv. Funct. Mater.》：用于潮湿引起的能量收集和自供能电子皮肤的仿生气凝胶

2022-12-19 来源：高分子科技

关键词：湿气驱动能量收集装置聚乙烯醇树枝状胶束仿生气凝胶超高离子密度梯度自供电电子皮肤

为应对能源危机和环境污染，湿气驱动能量收集装置（MEGs）的发展得到了人们广泛的关注。然而目前报道的MEGs存在着输出功率偏小，输出能量受限的问题，这也就导致了其缺乏实际的应用。如何提升MEGs的功率密度和能量密度是制约MEGs发展的关键因素。

近期，四川大学高分子科学与工程学院傅强教授课题组邓华教授团队通过调控仿生气凝胶的结构和离子密度梯度，制备了高性能的MEGs。目前，为缓解化石燃料大量消耗带来的环境污染和能源危机，可再生能源(如风能、太阳能、水能等)的研究日益凸显并受到广泛关注。地球表面70%以上被水覆盖，水的运动蕴含着大量的蓝色能量，只有极小部分足以满足社会的需求。近期，通过活性材料与水分子之间的相互作用将化学能转化为电能的MEGs为扩展电力的来源提供了新的思路。受蕨类植物的启发，湍流剪切制备的聚乙烯醇树枝状胶体作为根和茎为水的传输提供支撑和通道，而包裹在胶体表面的片状氧化石墨烯通过与水的直接相互作用产生能量。基于上述仿生结构，聚乙烯醇树枝状胶体上高含量不同电荷的纳米填料(氧化石墨烯和氨基化氧化石墨烯)在气凝胶内部构建了超高的离子密度梯度，为带电离子的定向扩散赋予了额外的作用力。此外，考虑到MEGs设备环境的复杂性，系统研究了环境因素(包括相对湿度、温度、盐浓度等)对气凝胶湿电性能的影响。密度泛函理论计算结合实验结果为潮湿引起的电的机理提供了额外的证明。基于独特的结构设计和合理的环境条件，MEG单元可以产生~1.9 V的开路电压和~82.5 μA的短路电流，最大功率密度为22.55 μW·cm^-2，为自供电电子皮肤提供了新的可能。该工作以“Biomimetic aerogel for moisture-induced energy harvesting and self-powered electronic skin”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。文章的第一作者是四川大学高分子科学与工程学院的博士生张学忠，通讯作者为邓华教授。该研究得到国家自然科学基金委的支持。

图1 不同结构下气凝胶的开路电压和短路电流

图2 不同测试环境下气凝胶的开路电压和短路电流

上述工作是该团队在制备高性能MEGs上的最新进展。传统的加工方式中聚合物对填料的包覆毫无疑问会导致填料的功能性有所降低。为此团队发展了聚合物剪切沉淀的技术，并将其与功能性填料进行复合，并探索了其在MEGs方面的可能应用。在过去的两年，团队制备了一种基于多壁碳纳米管/聚氨酯树枝状涂层的海绵（Chem. Eng. J.，2022,438,135659），并系统研究了胶束中填料含量和涂覆次数对海绵功能性的影响，证明了该技术用于MEGs上具备可行性。接下里通过构建基于氧化石墨烯和还原氧化石墨烯的不对称离子密度分布，制备了一种基于氧化石墨烯/还原氧化石墨烯/芳纶树枝状胶束涂层的海绵基MEGs（Nano Energy，2022,98,107241），表明离子梯度结构的构建确实有助于进一步提升MEGs的输出功率。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202210027

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（责任编辑：xu）

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