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逆天!雨滴也能發電?
2018/7/25 15:27:12


“好雨知时节 当春乃发生”

從古至今,雨水就一直滋潤萬物!

 在這小小的雨滴中,在科學家眼裏,則蘊含著無數的能量

       ——雨滴发电!

近日北京科技大學張躍教授課題組制作了一種可穿戴的自清洗和自充電的電力系統(SPS),並且設計成一款電力雨衣,將水能轉化爲電能,持續地爲發光二極管(LED)供電,實現了整個自供電系統。


    SPS由一种具有两憎性表面的液压摩擦电纳米发电机(H-TENG)簣D父鱿宋闯兜缛萜鳎‵SCs)组成。通过合成a-Fe2O3/reduced graphene oxide 複合材料作爲FSCs的活性材料以實現其高效性。


如下圖1a所示:SPS包含了兩個主要部分,一個是聚四氟乙烯(PTFE)表面塗上兩憎性塗層的H-TENG,另一個是四個嵌入式的FSCs。SPS的背面用聚二甲基矽氧烷(PDMS)包裹起來,防止水的滲透。SPS將水滴能量轉化爲電能,並將其儲存在FSCs中。

1 sps的结构和自洁性能


1b显示一些液体在H-TENG涂层表面的液滴照片。水、矿物油、汽油液滴在表面呈球形,易于滚动,不易附着。圖1c是H-TENG涂层表面微观结构的扫描电镜圖像(SEM)。H-TENG的涂层表面由许多纳米级的颗粒和气孔组成,采用喷雾法制备。圖1d所示,水,礦物油和汽油的接觸角(CAs)分別是115.53°,114.64°,109.05°。

爲了驗證H-TENG的自清洁效果,在相同尺寸的(1cm *1 cm) H-TENG 和PTFE表面上沾染活性炭,将H-TENG和PTFE倾斜45°,用5毫升的水注射至表面进行清洗。

1e,f所示,在初始狀態下,照片顯示H-TENG和PTFE表面均爲白色。活性炭隨機噴灑後,表面均被汙染爲黑色。清洗結束後,H-TENG表面活性炭被清洗掉,PTFE表面仍爲黑色。在實際應用中,可以通過雨水或自來水達到清洗效果。

 

H-TENG的工作原理


当水滴从空中落下时,由于与空气接触带电或粒子漂移,会摩擦产生电荷。我们选择几个带正电的水滴来说明能量产生的动态过程,如圖2a-i。H-TENG表面与水相互作用后,保留了一层长时间不会消散的负表面电荷。当带正电荷的水滴接触到H-TENG表面时,正电荷会屏蔽H-TENG表面的负的摩擦电荷。电极A和电极B产生相反的极性电荷,导致电极之间的不平衡电势驱动自由电子从A向B流动直至达到平衡如圖2a-ii。随着水滴不断流动,自由电子从B极流向A极,如圖2a-iii,直到两个电极上的电荷被逆转,如圖2a-iv。如果水滴与H-TENG周期性地接触和分离,可以提供连续的电力输出。

 

3 FSCs活性材料的对比


通過制備FSCs有效地儲存了H-TENG采集的能量,采用a-Fe2O3/RGO复合材料作为FSCs的活性物质。圖3b是几种活性材料 (GO,RGO,a-Fe2O3,a-Fe2O3/RGO)的x射线衍射圖(XRD)。爲了驗證a-Fe2O3/RGO是具有优势的FSCs的活性材料,如圖3 c所示,通过比较不同活性材料/碳纤维(CF)(a-Fe2O3/RGO,a-Fe2O3,RGO,空白CF)的循环伏安曲线,收集的扫描速率100 mV s-1,可以看出a-Fe2O3/RGO複合材料比其他材料達到了更高的電容電流,顯示了a-Fe2O3/RGOFSCs 優越的電化學性能。

 

4 SPS应用在电力雨衣中


4e,f顯示的是以SPS爲基礎設計的電力雨衣,其胸前有紅色的LED。當電力雨衣的H-TENG部位被水淋到時,H-TENG就會采集水,將其轉化爲電能。當用水淋浴100S後,LED就會被點亮,放電時間可以超過300秒。

綜上所述,張躍教授課題組通过H-TENG和FSCs設計了可自清洗和自充電的電力系統(SPS),並在實際的電力雨衣中實現應用。

後期若應用在光伏發電上,晴天和雨天皆可發電。對于自然資源日益匮乏的今天,將是曆史性的突破!


文章中用到a-Fe2O3/RGO作爲FSCs的活性材料,其制備原料中有來自电竞竞猜·网站納米的氧化石墨烯

論文標題:

An Amphiphobic Hydraulic Triboelectric Nanogenerator for a Self-Cleaning and Self-Charging Power System

IF: 19.791



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