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基于固液表面相互作用的能量收集技术的进展综述

       水覆盖了地球70%的表面积,它在哺育了生命的同时也提供了多种形似的能量,诸如化学能、热能、动能等。水的化学能可以通过电解或光催化分解来利用,热能可以通过盐度发电来利用,水所蕴藏的动能可以通过水力发电加以利用。近年来,随着纳米技术和纳米材料的飞速发展,新的水能收集方式开始涌现。

       近日,中国科学院北京纳米能源与系统研究所唐伟研究员、陈宝东副研究员,在王中林院士的指导下,对通过水滴与固体表面的相互作用实现能量收集的最新研究进展进行综述,相关结果发表在《先进功能材料》(https://doi.org/10.1002/adfm.201901069),文章首先介绍了利用固液接触起电机制实现水滴能量收集的新方式及其四种具体的工作模式,包括接触分离模式、滑动模式、单电极模式和独立层模式;然后介绍了基于流动电流的液体能量收集方式,包括基于孔道结构和基于薄膜结构的两种器件。另外,文章对利用其他几种机制的液体能量收集方式同样进行了相应的介绍。文章的最后展示了这些水能收集器件在自驱动液体传感器、可穿戴的能量收集器件、全天候的混合能量收集装置,以及蓝色能源在内的诸多领域的前沿应用。

图文导读:

1. a)摩擦纳米发电机的工作机理示意图。b)摩擦纳米发电机的等效电路。

 


2.a)接触分离模式摩擦纳米发电机的工作原理示意图。b) 摩擦纳米发电机的起电特性。c)各种材料和液体下的输出性能。

 


3.a) 以液态金属为接触电极的滑动模式L-TENG。b)各种材料下的输出性能。c)气体条件对输出特性的影响。

 


4.a)单电极模式的L-TENG工作原理示意图。b)微流体流动检测的结构示意图c,d) L-TENG的输出特性与离子浓度的关系。

 


5.a,b)独立层模式L-TENG的工作原理及其起电特性。c,d)网格状集成的L-TENG及其起电特性。

 


6.a)水-固体界面带电特性示意图。b)双电层模型示意图。

 


7.a)硅纳米通道中的流动电流。b)流动电流发电机。


8.a) CNT/PANI和PVA凝胶中的流动电流。b,c)石墨烯片层上的流动电流。d)水在炭黑上蒸发而产生的流动电流。

 


9.a)采用导电溶液作为感应电极的L-TENG。b)采用液态金属作为感应电极的L-TENG。

 


10.收集水下超声波的摩擦纳米发电机。

 


11.a,b)自驱动的微流体传感器。c)以流动电流为探针,基于石墨烯晶体管的微流体传感器。d)基于L-TENG的惯性传感器。

 


12.L-TENGs作为可穿戴的电源:a)手腕部使用;b)布料部分使用。

 


图13.a)同时收集太阳能和雨滴能量的混合发电机。b)同时收集太阳能、风能和雨滴能的混合发电机。c)受自然界荷叶启发的自清洁雨滴收集器。d)基于水蒸发的发电机。


14.a)利用纳米发电机漂浮网络构建的蓝色能源梦想。b)基于纳米结构疏水薄膜的波浪能收集器。c)浮标状纳米发电机。d、e)基于L-TENG的金属的阴极保护,微生物防污。

       原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201901069

       本研究得到国家重点研发项目、国家自然科学基金、北京市科委、中国科学院青年创新促进会的经费支持。