近日，機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院制冷與低溫工程研究所ITEWA團(tuán)隊(duì)與東南大學(xué)團(tuán)隊(duì)合作在國際期刊Nature Communications發(fā)表了題為 “Radiative cooling assisted self-sustaining and highly efficient moisture energy harvesting” 的研究論文。該工作針對自然環(huán)境波動(dòng)嚴(yán)重影響濕氣發(fā)電穩(wěn)定輸出的難題，提出了一種輻射致冷輔助的高效穩(wěn)定濕氣發(fā)電新策略，構(gòu)建了兼具“水分吸附-濕氣發(fā)電-輻射致冷”多功能的雙層聚合物凝膠，為實(shí)現(xiàn)波動(dòng)自然環(huán)境中高效長時(shí)濕氣發(fā)電提供了新思路。我院博士生王鵬飛和東南大學(xué)研究生郭晨玥、湯華杰為論文共同第一作者，李廷賢研究員和東南大學(xué)趙東亮教授為共同通訊作者，王如竹教授對該工作給予了指導(dǎo)和建議。
從水蒸氣中收集能量是緩解能源危機(jī)的一條有效途徑。借助功能化納米材料的自發(fā)濕氣吸附，濕氣發(fā)電技術(shù)可以直接將水分子狀態(tài)轉(zhuǎn)變的化學(xué)勢能轉(zhuǎn)化為電能，得到了學(xué)界內(nèi)廣泛關(guān)注。已有研究通過在材料中建立水分梯度實(shí)現(xiàn)了連續(xù)電壓輸出，但吸附過程中梯度驅(qū)動(dòng)力減弱和電流衰減仍舊是制約規(guī)模化濕氣發(fā)電部署的瓶頸難題，如何在復(fù)雜環(huán)境波動(dòng)中維持材料內(nèi)部持續(xù)穩(wěn)定的水/離子流動(dòng)是實(shí)現(xiàn)自維持高效濕氣發(fā)電的關(guān)鍵。因此，亟需系統(tǒng)性評估自然環(huán)境因素（太陽輻射、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度）對濕氣發(fā)電輸出性能的影響機(jī)制，從熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)角度提出實(shí)現(xiàn)材料內(nèi)部水分“吸附-傳輸-蒸發(fā)”動(dòng)態(tài)平衡的設(shè)計(jì)策略，指導(dǎo)新型濕氣發(fā)電材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和規(guī)模化部署。
輻射致冷輔助的自維持高效濕度發(fā)電器件設(shè)計(jì)
研究團(tuán)隊(duì)提出了通過輻射致冷調(diào)控太陽輻射和環(huán)境溫度，輔助實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定濕氣發(fā)電的新策略。研究人員設(shè)計(jì)了一種由疏水多孔聚偏氟乙烯-六氟丙烯 [P(VdF-HFP)] 頂層和親水離子水凝膠底層組成的濕度發(fā)電器件。由聚乙烯醇（PVA）和植酸（PA）建立的離子水凝膠網(wǎng)絡(luò)，與削弱氫鍵相互作用的LiCl結(jié)合，賦予PP/IH優(yōu)異的吸濕能力、豐富的解離電荷載體和高效的水/離子傳輸性能。水凝膠可自發(fā)吸收空氣中的水分并解離出離子，頂層疏水多孔結(jié)構(gòu)可自發(fā)驅(qū)動(dòng)水分解吸，基于此構(gòu)建的吸附-解吸動(dòng)態(tài)平衡驅(qū)動(dòng)水/離子連續(xù)流過帶負(fù)電荷的納米通道，產(chǎn)生持續(xù)電力輸出。與此同時(shí)，分級多孔頂層的輻射冷卻效應(yīng)在日間降低蒸發(fā)溫度，保證連續(xù)定向水/離子流動(dòng)，在夜間有效平衡吸附放熱，提高吸附速率，促進(jìn)水分梯度恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)晝夜交替中穩(wěn)定的吸附-解吸循環(huán)。
濕度發(fā)電器件輸出性能和戶外輸出穩(wěn)定性
該器件具備卓越的電力輸出性能，單個(gè)器件（1 cm2）可輸出~0.88 V的開路電壓和~306 μA的短路電流，最大輸出功率密度達(dá)51 μW cm−2。同時(shí)，器件可有效避免環(huán)境波動(dòng)對電力輸出的影響，在為期6天的連續(xù)戶外測試中，器件表現(xiàn)出自維持和高效的功率輸出。此外，通過集成多個(gè)器件單元，該器件可輕松擴(kuò)展電輸出以滿足不同應(yīng)用場景：3×3串并聯(lián)連接的器件足以驅(qū)動(dòng)電致變色玻璃銀沉積，3×6串并聯(lián)連接器件可直接為電子墨水屏供電。相關(guān)研究為制備自維持高效濕氣發(fā)電器件提供了新思路，為推動(dòng)規(guī)模化濕氣發(fā)電部署提供了新策略，在建筑節(jié)能、自供電可穿戴設(shè)備等方面展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。
王如竹教授領(lǐng)銜的ITEWA交叉學(xué)科創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（Innovative Team for Energy, Water & Air）致力于解決能源、水、空氣領(lǐng)域的前沿基礎(chǔ)性科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)，旨在通過學(xué)科交叉實(shí)現(xiàn)材料-器件-系統(tǒng)層面的整體解決方案，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。近年來在Science、Nature Reviews Materials、Chemical Society Reviews等國際期刊上發(fā)表系列跨學(xué)科交叉論文。
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-50396-9
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