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清華機械系曲良體教授團隊在濕氣産電領域取得重要進展

近期,清華大學曲良體教授和程虎虎助理研究員團隊在《自然通訊》(Nature Communications)上發表題為(Interface-mediated hygroelectric generator with an output voltage approaching 1.5 volts)的研究論文。該論文發展和構建了一種新型的濕氣發電材料和器件(hygroelectric generator, HEG)。該研究建立了異質結構的氧化石墨烯材料的制備方法,利用其對濕氣變化超靈敏的特點,通過界面設計輔助和調控内部載流子的輸運行為,首次将單個濕氣發電器件的輸出電壓提高到1.5 V,并且成功為商用的用電器件進行供電。

新型的能量轉化與存儲技術對于社會的發展起着極其重要的作用。人類生活的環境中存在大量的能量源泉,比如太陽能、風能和水能等,人們已經成功開發了太陽能電池、風力發電機和水力發電機等将這些能量轉化為電能,為日常活動提供便利。然而,将自然界中水分擴散過程直接用于産生電能并不多見。

本項研究工作開創性地利用氧化石墨烯作為基礎材料,通過激光加工技術實現了材料内部含氧官能團的異質分布,輔助界面設計構建肖特基結進行載流子的運動調控,建立了一種全新的濕氣産電器件,實現了濕氣擴散直接轉化為電能的過程。在濕氣刺激下,單個器件(亞厘米尺寸)可以産生高達1.5V的電壓(與商用的紐扣電池相當)。此外,通過簡單的層層組裝進行有效的串聯,實現了高達18V的輸出電壓,能夠成功為商用的LED陣列和數碼管供電。該工作開發了一種全新的濕氣産電器件,為設計高效、高輸出的新型能源器件奠定了基礎,作為一種新型清潔能源器件,展現出巨大的應用前景。

(a)濕氣發電器件串聯示意圖;(b) 輸出電壓随器件串聯數量的變化;

(c) 濕氣發電器件給商用的電容器充電;(d–f) 濕氣發電器件為發光二極管陣列和數碼管等電子元器件供電

近年來,研究團隊專注于先進材料和新型微納器件,及在能源、環境等領域的應用研究。在濕氣産電領域開展了大量原創性工作,并取得了多項重要成果。前期工作發表在《先進材料》(Advanced Materials)、《能源與環境科學》(Energy & Environmental Science)、《德國應用化學》(Angewandte Chemie International Edition)、《先進功能材料》(Advanced Functional Materials 、《納米能源》(Nano Energy)等知名國際期刊上。

清華大學機械系2016級博士生黃亞鑫為本文第一作者,曲良體教授和程虎虎助理研究員為本文的通訊作者。本研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的資助。

來源:清華新聞網

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