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自充电超薄装置,利用空气湿度发电
2022年08月21日    新闻来源:行业资讯在线    |  投稿

想象一下,仅仅用海盐和一块织物等日常用品就能利用周围空气中的水分发电,甚至用一块像纸一样薄的无毒电池为日常电子设备供电。新加坡国立大学(NUS)设计与工程学院(CDE)的一组研究人员开发了一种由薄薄织物制成的新型水分驱动发电(MEG)装置鈥攁厚度约为0.3毫米(mm)鈥攕ea盐、碳墨水和特殊吸水凝胶。

MEG装置的概念建立在不同材料通过与空气中的水分相互作用发电的能力之上。由于其在现实世界中广泛应用的潜力,该领域受到了越来越多的关注,包括自供电设备,如健康监测器、电子皮肤传感器和信息存储设备等可穿戴电子设备。

当前MEG技术的主要挑战包括设备暴露于环境湿度时的水饱和和不令人满意的电气性能。因此,传统MEG设备产生的电力不足以为电气设备供电,也不可持续。

为了克服这些挑战,由CDE材料科学与工程系助理教授Tan Swee-Ching领导的一个研究团队设计了一种新型MEG装置,该装置包含两个不同性质的区域,以永久保持各区域的含水量差异,从而发电并允许数百小时的电力输出。

这项技术突破于2022年5月26日发表在科学杂志《先进材料》的印刷版上。

基于“电池”的长效自充电织物

NUS团队的MEG装置由一层薄薄的织物组成,织物上涂有碳纳米颗粒。在他们的研究中,研究小组使用了一种由木浆和聚酯制成的商用织物。

织物的一个区域涂有吸湿离子水凝胶,该区域称为湿区。这种特殊的吸水凝胶使用海盐制成,可以吸收六倍于原始重量的水分,用于从空气中收集水分。

“之所以选择海盐作为吸水化合物,是因为它的无毒性,以及它为海水淡化厂处理产生的海盐和盐水提供可持续选择的潜力,”谭教授分享。

织物的另一端是不含吸湿离子水凝胶层的干燥区域。这是为了确保该区域保持干燥,水仅限于潮湿区域。

一旦MEG装置组装好,当海水在潮湿区域被吸收时,海盐离子被分离,产生电能。带正电荷的自由离子(阳离子)被带负电荷的碳纳米颗粒吸收。这会引起织物表面的变化,在织物上产生电场。表面的这些变化也使织物具有储存电能供日后使用的能力。

使用独特的干湿地区设计,NUS研究人员能够保持湿地区的高含水量和干地区的低含水量。这将在潮湿区域被水饱和时保持电输出。在开放潮湿环境中放置30天后,潮湿区域仍保持有水,证明了该装置在维持电输出方面的有效性。

“通过这种独特的不对称结构,与之前的MEG技术相比,我们的MEG设备的电气性能显著提高,从而可以为许多常见的电子设备供电,如健康监测器和可穿戴电子设备,”谭副教授解释道。

该团队的MEG装置还表现出高度的灵活性,能够承受扭曲、滚动和弯曲产生的应力。有趣的是,研究人员通过将织物折叠成折纸起重机展示了其出色的灵活性,而折纸起重机不会影响设备的整体电气性能。

便携式电源等

MEG设备因其易于扩展和商用原材料而立即得到应用。最直接的应用之一是用作移动电源,通过环境湿度直接为电子设备供电。

研究小组成员张耀新博士说:“吸水后,一块尺寸为1.5×2厘米的发电织物可以在恒定的环境下提供高达0.7伏(V)的电力,持续超过150小时。”。

NUS团队还成功展示了其新设备在为不同应用发电方面的可扩展性。NUS团队将三块发电织物连接在一起,并将它们放入一个标准AA电池大小的3D打印盒中。对组装好的装置进行测试,电压高达1.96V鈥攈比约1.5V的商用AA电池高鈥攚这足以为小型电子设备供电,如闹钟。

NUS发明的可扩展性、获得市售原材料的方便性以及每平方米约0.15美元的低制造成本使MEG器件适合大规模生产。

“我们的设备以较低的制造成本显示出极好的可扩展性。与其他MEG结构和设备相比,我们的发明更简单,更容易扩展集成和连接。我们相信它具有巨大的商业化前景,”谭教授分享。

研究人员已经为这项技术申请了专利,并计划探索实际应用的潜在商业化策略。

标签:化工应用技术中心精细化学品生物化学
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