清华机械系曲良体教授团队在湿气产电领域取得重要进展

        清华机械系曲良体教授团队在湿气产电领域取得重要进展清华新闻网10月12日电10月9日,清华大学曲良体教授和程虎虎助理研究员团队在《自然通讯》(Nature Communications)上发表题为(Interface-mediated hygroelectric generator with an output voltage approaching 1.5 volts)的研究论文。该论文发展和构建了一种新型的湿气发电材料和器件(hygroelectric generator, HEG)。该研究建立了异质结构的氧化石墨烯材料的制备方法,利用其对湿气变化超灵敏的特点,通过界面设计辅助和调控内部载流子的输运行为,首次将单个湿气发电器件的输出电压提高到1.5 V,并且成功为商用的用电器件进行供电。
       新型的能量转化与存储技术对于社会的发展起着极其重要的作用。人类生活的环境中存在大量的能量源泉,比如太阳能、风能和水能等,人们已经成功开发了太阳能电池、风力发电机和水力发电机等将这些能量转化为电能,为日常活动提供便利。然而,将自然界中水分扩散过程直接用于产生电能并不多见。
      本项研究工作开创性地利用氧化石墨烯作为基础材料,通过激光加工技术实现了材料内部含氧官能团的异质分布,辅助界面设计构建肖特基结进行载流子的运动调控,建立了一种全新的湿气产电器件,实现了湿气扩散直接转化为电能的过程。在湿气刺激下,单个器件(亚厘米尺寸)可以产生高达1.5V的电压(与商用的纽扣电池相当)。此外,通过简单的层层组装进行有效的串联,实现了高达18V的输出电压,能够成功为商用的LED阵列和数码管供电。该工作开发了一种全新的湿气产电器件,为设计高效、高输出的新型能源器件奠定了基础,作为一种新型清洁能源器件,展现出巨大的应用前景。


(a)湿气发电器件串联示意图;(b) 输出电压随器件串联数量的变化;(c) 湿气发电器件给商用的电容器充电;(d–f) 湿气发电器件为发光二极管阵列和数码管等电子元器件供电
近年来,研究团队专注于先进材料和新型微纳器件,及在能源、环境等领域的应用研究。在湿气产电领域开展了大量原创性工作,并取得了多项重要成果。前期工作发表在《先进材料》(Advanced Materials)、《能源与环境科学》(Energy & Environmental Science)、《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition)、《先进功能材料》(Advanced Functional Materials、《纳米能源》(Nano Energy)等知名国际期刊上。
清华大学机械系2016级博士生黄亚鑫为本文第一作者,曲良体教授和程虎虎助理研究员为本文的通讯作者。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。

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