华南师范大学唐彪/青能所高军合作AFM：利用场效应增强液体能量收集

导读：在各类能源中，水资源约占地球表面积的71%，对环境中水的动能进行收集，将其转化为电能并加以利用是近年来可持续发展研究的热点之一。近日，华南师范大学唐彪研究员和中国科学院青岛生物能源与过程研究所高军研究员报道了一种利用场效应增强液滴能量收集效果的方法（Field enhanced droplet electricity generator, FE-DEG）。与传统纳米摩擦发电进行能量收集不同的是，在这项研究中，介电层的电荷密度主要由外部施加的偏压决定。这种液滴能量收集的方法同时提高了瞬时功率密度和能量转换效率，此外利用这种方法进行能量收集发现：将装置反复浸泡在水中，甚至在一些恶劣的化学条件下依然能够保持稳定的性能输出。这项研究为高可靠、高能量密度液滴能量收集装置的开发提供新思路。

研究背景

水资源（如海浪、潮汐、水滴等）中蕴含的巨大能量可用于发电，随着纳米技术的蓬勃发展，衍生出各式各样的装置用于收集水体中的动能。这之中大部分的方法依赖于固液界面的相互摩擦产生感应电荷，从而有电流传输。在实际探索和应用中，受到摩擦层材料表面性质的影响，这种方法在实现高功率密度和高能量转化率方面仍然有待提高；且这种液滴能量收集装置面临的另一个挑战是电荷衰减，尤其是在潮湿环境中输出功率的衰减。然而液滴能量收集就注定需要长时间暴露在水中，若其性能随着与水的接触逐渐下降，这将极大程度地限制其应用。

创新研究

众所周知，在半导体中，电介质中的电荷可以很容易地在外加电场的作用下被调制和改善。在电场作用下，电荷不再由电介质的固有特性主导，而是由外部电压决定。受此启发，华南师范大学唐彪/中国科学院青岛生物能源与过程研究所高军合作提出并证明：将这种场效应引入液滴能量收集系统，可同时显著提高发电机的瞬时功率密度和能量转换效率。单个液滴的撞击足以点亮553只商用LED灯（电流驱动型器件）或4.2英寸电润湿显示面板（电压驱动型器件）。更重要的是，由于场效应的存在，其发电性能稳定，不再随着周围水或pH等环境变化引起的表面性质改变而降低能量输出，总体表现出强大且稳定的能量收集能力。

研究提出：施加直流电压在这里的作用是“刺激”发电，有效提高介电层的电荷密度。对于该器件，理论上可以等效为一个完美的平行板电容器阻挡直流电流通过，且通过实验对比证明单液滴撞击产生的能量比偏压所消耗的能量高出两个数量级以上。因此认为该直流电源几乎不被消耗的同时，还能大大提高液滴撞击产生的电能输出特性。

图1. 场效应增强式液滴发电机（FE-DEG）。(a)发电装置的光学图像。(b) FE-DEG示意图。通过在底部电极上施加偏压，可以增加介电层中存储的电荷，从而显著提高发电性能。(c)产生的电流随着施加偏置电压的增加而增加，证实场效应的存在可提高输出。(d) FE-DEG在设置偏压-50 V的条件下可以通过单液滴撞击点亮553盏商用LED灯。(e) FE-DEG在设置偏压-15 V的条件下可以通过单液滴撞击驱动4.2英寸电润湿显示器。(f)在设置偏压-200 V的条件下单液滴撞击输出电能和电源消耗电能的对比。

输出功率密度是评价发电装置性能的一个重要指标，该研究发现：对比传统方法，场效应增强式液滴发电机几乎可以使功率密度增加一个数量级，且能量转换效率提高了7倍。此外，较小液滴下降高度下产生较高的能量转化率表明FE-DEG更适用于低动能液滴的能量收集。总体而言，将单液滴撞击产生的功率密度和能量转化率与已报道的其他发电机进行比较发现FE-DEG综合化性能较为突出。

图2. FE-DEG的输出性能。(a)对比有无场效应增强作用下单液滴撞击产生的峰值电流和瞬时最大功率密度。(b) 对比有无场效应增强作用下单液滴撞击的输出能量和能量转换效率。(c)不同液滴下落高度的输出能量及能量转换效率。(d)本研究与其他研究结果的比较。

FE-DEG的一个另显著优点是其在环境中可保持高稳定性。研究测试了样品放置100天后的发电性能，并未观察到明显衰减。将FE-DEG浸入水中老化24小时后于空气中测试发电性能，经过1周的测试，其性能仍然没有受到影响。此外，该发电机在不同液体pH值或不同液滴下降速率时也能稳定运行。

图3. FE-DEG的稳定性。(a)常温贮存100天，其发电性能保持良好。(b)在水中老化7天后也能保持良好的性能。(c)FE-DEG性能不受液体下降速率影响。(d) FE-DEG性能不受液体pH值的影响。

该文章被发表在《Advanced Functional Materials》期刊上，题为“Field Enhanced Robust Droplet Electricity Generation”，华南师范大学在读博士生邵琬为本文第一作者，华南师范大学唐彪研究员、中国科学院青岛生物能源与过程研究所高军研究员为本文通讯作者。

论文地址

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202302472

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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