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蘇州納米所基于可持續柔性水伏發電機的自供能可穿戴傳感系統研究獲進展

2020-04-03 蘇州納米技術與納米仿生研究所
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  近十年來,隨著智能柔性可穿戴設備在醫療健康監護、人機融合、人工智能等領域的廣泛應用,柔性電子技術智能化、集成化、多功能化的方向快速發展。盡管柔性電子器件在降低功耗方面取得了重要進展,但能源的供給和消耗依然是柔性電子發展最關鍵的限制因素,研究開發基于新型能源高效采集的自主式供電柔性傳感器成為柔性智能電子的重要研究方向。

  眾所周知,地球表面70%以上都被天然水體覆蓋,是含量最豐富的資源之一。無論地理位置或環境條件如何改變,天然水都可以通過吸收熱能而自發地流動和蒸發。通過納米結構與水的流動、波動、滴落和蒸發直接相互作用來發電的能量轉換效應,被稱為水伏效應(hydrovoltaic effect),這種效應解決柔性傳感系統能源可持續供給提供了新思路。然而,如何在變形條件下實現穩定發電和高輸出功率,并實現輕量化、柔性化可穿戴傳感微系統依然面臨很多挑戰。

  針對上述挑戰,中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所張珽團隊通過水源形態以及器件結構設計,制備了一種具有優秀的便攜性、柔性和穩定性的水伏發電機,并作為柔性電子器件能源供給平臺構建了柔性可穿戴自供能傳感系統。通過采用聚乙烯醇(PVA)將功能化碳納米顆粒(FCB)綁定到三維海綿骨架 (3DS)上,并進一步將得到的PVA@FCB@3DS薄膜與固體高吸水性水凝膠共組裝,構建了HPG。基于構建的PVA@FCB@3DS薄膜上的具有交疊雙電層(EDL)納米通道,HPG可以利用水的自發蒸發將周圍的熱量連續轉換為電能,而無需任何外部能量供應,其VocIsc分別達到0.658 V63 μA。此外,柔性HPG可以在較大范圍的彎曲應變的狀態下,保持穩定的產電性能。該便柔性攜式水蒸發驅動的HPG突破了之前水伏發電機固定水槽的束縛,可以作為柔性可穿戴電子設備的柔性電源平臺用于器件的能量供給,推動了水伏發電技術的器件形式和應用領域的進步。

  以上相關成果發表在Nano Energy上(DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.104663)。論文第一作者是蘇州納米所博士生李連輝,通訊作者為研究員張珽

  (a)水伏發電機的結構示意圖。(b)超吸收性水凝膠吸水狀態的典型光學照片;(c)FCBs的高分辨率O1s X射線光電子能譜(XPS)光譜;(d)PVA@FCB的典型HR-TEM圖像;(e)PVA@FCB@3DS膜的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像;(f)PVA@FCB層的高分辨率SEM圖像;(g)PVA@FCB@3DS膜的橫截面SEM圖像;(h)揉搓FCB@3DS薄膜和PVA@FCB@3DS薄膜過程及之后的典型光學照片。

  (a)器件的VOC隨環境溫度變化曲線;(b)在~19.8 oC和~55%RH環境條件下,VOC隨氣流速度的變化關系;(c)在25.0 oC的穩定環境溫度下,VOC隨環境濕度的變化;(d)輸出性能測試系統的電路圖;(e)發電機輸出性能隨外部負載電阻的變化;(f)HPG的輸出功率隨外部負載電阻變化。

  (a)全固態水發電納米發電機在不同彎曲狀態下的實測Voc;(b-c)HPG在釋放狀態和60o彎曲狀態下的Voc的照片;(d)基于便攜式水伏發電機的自供電柔性傳感系統的照片;(e)自供能傳感系統的電流隨系統彎曲角度變化曲線;(f)自供能傳感系統用于肘部監測的實時電流變化曲線。

打印 責任編輯:葉瑞優

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