亲水导电1T-WS2纳米片纺织品，以实现高效和连续的水力发电和存储

研究背景

基于热电效应、光电效应、压电效应和摩擦静电效应，通过有效收集环境中的多种清洁能源实现自发发电，在从物联网到智能城市和可穿戴智能设备等科学和工程领域引起了极大关注。最近，将取之不尽的水分子中可观的化学势能转化为持续电力的水力发电技术迅速崛起，成为前景广阔的自供电和可穿戴电子设备。自姚教授及其同事的开创性工作以来，纳米级蛋白线已被成功用于构建水力发电机 (HEG)，通过从无处不在的水汽中收集能量，有效地产生可负担得起的可持续电力。迄今为止，人们一直致力于对 HEGs 亲水材料的微结构进行化学修饰和有目的地控制，包括非对称结构、异质系统和纳米通道，以提高其输出性能。然而，大多数 HEG 通常具有间歇性工作模式、较低的电流密度、或硬的结构，这给满足可穿戴光电实际应用中对高性能、舒适性和灵活性不断升级的纳米技术要求带来了巨大挑战。

利用纤维固有的轻质、柔韧和环保特性，功能性纺织品与具有所需光电功能的迷人纳米/微米材料相结合，在先进的柔性光电领域引起了广泛关注，包括太阳能电池、传感器和电子皮肤。在这些成就的基础上，使用具有更强吸湿性和离子扩散特性的功能纺织品作为活性材料引发了人们对设计可穿戴高功率 HEG 的极大兴趣。由于功能纺织品具有高亲水性可实现出色的水捕捉和离子化能力，因此，含有纳米碳材料、生物纳米材料和导电聚合物等富氧官能团 (如羟基 (-OH)、羧基(-COOH)和磺酸(-SO3H))的功能纺织品已被有目的地引入具有不对称结构的 HEG 中，从而创造了相当大的分流潜力。然而，这些纳米材料中的有限亲水基团在与水接触时产生的流动离子密度有限，这严重阻碍了它们在间歇模式输出信号方面的进一步发展。众所周知，多孔纳米材料中的众多纳米通道有利于在原子水平上进行快速的纳米流体传输，从而产生较高的流势，这为在 HEG 中实现可持续发电提供了一种前景广阔的选择。通常情况下，具有大带电表面/体积比的硅纳米线阵列可提供大量纳米通道，从而实现优异的载流子传输特性，并可用于制造持续电压高达400mV 的高性能 HEG。将单个功能纺织品中可实现高强度水捕获的富氧功能基团不对称结构与可实现快速纳米流体传输的大量纳米通道相结合，有望实现先进柔性 HEG 的精细设计。

尽管如此，不尽人意的电流密度(10 μAcm-2) 仍然阻碍了它们作为高灵敏度自供电传感器或商用电子产品可穿戴电源的实际应用，这也是上述策略面临的挑战。令人印象深刻的是，与阳光协调的“湿电发生器”通过湿电荷分离实现了高达 1.55 mAcm-2 的出色短路电流密度。受这一策略的启发，各种常规能源之间的协同运行在技术上具有优势，可解决 HEG功率密度低和使用场景有限的问题。一次电池是基于氧化还原反应的最经典技术，可在电极和纳米材料中的水分界面上提供能量。考虑到其优越性，通过独特的电极设计为HEG 提供互补电场以实现理想性能，有可能增强一次电池系统的构造。

研究成果

柔性水力发电机 (HEG)是一种很有前途的自供电设备，它能自发地从水汽中获取电能。然而，如何在持续工作电压和超大电流密度之间实现理想的兼容性仍然是一项重大挑战。苏州大学卓明鹏、郑敏&王作山教授等人合理地设计了一种基干纺织品的范德华异质结构，它介于导电1T-WS2@CSilk和CB@Cotton织物之间，具有不对称分布的含氧官能团，可增强质子浓度梯度，从而实现高性能的可穿戴 HEG。CSik织物上直交错的 1T-WS2纳米片阵列为载流子的快速传输提供了丰富的亲水性纳米通道。此外，在活性铝(AI)电极和导电织物之间形成的湿气诱导原电池引入了所需的电场,以促进电荷分离并补偿降低的流动电位。这些装置的功率密度为 21.6 uW cm-2，开路电压 (Voc)为 0.65 V，持续时间超过10 000秒电流密度为 0.17 mA cm-2。这种性能使它们能够为商用电子设备和人体呼吸监测提供电源。这项研究为可穿戴电子设备的精细化设计提供了一种前景广阔的策略。相关研究以“Hydrophilic 1T-WS2 Nanosheet Arrays toward Conductive Textiles for High-Efficient and Continuous Hydroelectric Generation and Storage”为题发表在Small期刊上。

图文导读

Figure 1. Preparation and characterization of 1T-WS2@CSilk and CB@Cotton fabrics.

Figure 2. Prototype of the flexible HEG and corresponding electric output characteristics.

Figure 3. The working mechanism of HEGs.

Figure 4. Demonstration of the HEG in practical applications.

总结与展望

总之，作者开发了一种基于 CB@Cotton 和 1T WS2@CSilk 织物夹层结构的高效柔性 HEG该 HEG 表现出显著的电学性能，包括 0.65V 的 Voc，0.51 mA 的优异Isc 和 64.8uW的优化功率，定制尺寸为 3 cm2。通过热喷涂浸渍干燥工艺将 CB 纳米粒子粘附到棉纤维上成功构建了CB@Cotton织物，用于离子吸附和解吸。此外，水热法促进了垂直交错的 1TWS2 纳米片阵列在导电 CSilk 织物表面的原位生长，形成了 T-WS2@CSilk 物。流动电势(基于含氧官能团的不对称结构的质子浓度梯度以及由 CB 纳米粒子和 1T-WS2 纳米片阵列组成的纳米通道)与铝电极诱导的氧化还原反应的协同作用被认为是 HEG 的机理。这些柔性 HEG 可以集成在一起，实现电压和电流的线性增长，从而为商用电子产品提供动力，并将其集成到医用面罩中，用于人体呼吸监测。这项研究为合理设计可穿戴电子设备提供了一种前景广阔的策略，并强调了柔性 HEG 在各种实际应用中的潜力。

文献链接

Hydrophilic 1T-WS2 Nanosheet Arrays toward Conductive Textiles for High-Efficient and Continuous Hydroelectric Generation and Storage

https://doi.org/10.1002/smll.202308527

转自：“i学术i科研”微信公众号

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