香港城市大学研究生(香港城市大学研究生一年费用)

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水是自然界中最清洁和最可持续的能源之一。在过去的几十年里，各种技术，如摩擦纳米发电机、压电纳米发电机、反向电渗析等，已被用来有效地将水转化为电能。最近开发的基于液滴的新型发电机，具有类似晶体管的结构，能够将电力输出和能量转换效率提高几个数量级。尽管基于液滴的发电装置取得了广泛的成就，但不可避免的机械磨损、化学腐蚀以及电极和电介质材料的界面剥离导致其性能不稳定，因此受到很大限制。

香港城市大学王钻开教授、张超博士等人通过一种简单的方法，构建了一个整体集成的基于液滴的发电装置（MI-DEG），该装置能够实现高柔性和强大的电气性能。MI-DEG装置的这种柔性和耐久性的关键在于热融合策略，其能使特殊设计的聚合物电极和电介质材料无缝集成在一起。研究表明，MI-DEG在长期的机械变形和磨损下表现出稳定的电输出，其衰减可以忽略不计，并且在恶劣的腐蚀环境下保持60%以上的初始电输出，而传统的产品则完全失效。这项研究为合理设计柔性而坚固的发电机提供了一条有希望的途径，使其在实际应用中更具潜力。该研究以题为“Monolithic Integrated Flexible Yet Robust Droplet-Based Electricity Generator”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。

【MI-DEG的设计和表征】

MI-DEG是通过利用热融合策略将两个电极和电介质层整合成的一个整体，其中电极和电介质层分别是导电的全氟烷氧基烷烃（PFA）和PFA薄膜。与传统的金属电极相比，导电PFA电极在机械变形和化学腐蚀等恶劣环境下表现出更强的导电稳定性。因此，MI-DEG装置被赋予了聚合物的特性，表现出高柔性、机械和化学稳定性。其次，由于导电PFA电极的化学成分与PFA电介质层相似，基于热融合策略，它允许在电极和电介质层之间的界面上进行有机融合，形成一个整体的集成器件。相比之下，经典的DEG中的电极和电介质层是通过物理界面（如氢键）组装起来的，这在富水环境下会大大恶化。因此，热融合方法消除了传统DEG中遇到的电极和电介质层的界面分离问题。

图1 MI-DEG的制备和表征

【MI-DEG的机械和电气性能】

作者通过拉伸试验研究了MI-DEG器件的机械性能，其断裂伸长率高达355%，比对照组DEG的断裂伸长率高出约100倍。MI-DEG在10000次机械磨损循环后，其断裂伸长率的下降几乎可以忽略不计。此外，得益于热融合策略，MI-DEG中电极和电介质层之间的剪切强度高达≈16 MPa，这几乎比对照组的剪切强度大两个数量级。作者测试了MI-DEG的电气性能，其开路输出电压、短路电流和电荷转移分别为≈155 V、482 µA和12 nC，这与基于金属电极的同类产品高度相似，这表明MI-DEG的热融合策略极大地提高了其机械稳定性，但并不牺牲电气性能。此外，MI-DEG在暴露于长期屈曲循环时也能提供高而稳定的电气性能。即使经过50000次屈曲循环，MI-DEG的电输出也没有明显的退化，这表明MI-DEG对机械变形的耐用性非常好。

图2 MI-DEG的电气性能

【MI-DEG的耐久性和应用演示】

作者研究了MI-DEG在机械磨损下的电性能变化，即使经过10000次标准的Taber磨蚀，MI-DEG仍保持了较高的输出电压和电荷。此外，即使整个装置在水下浸泡2个月，MI-DEG仍能保持稳定的电性能。因此，MI-DEG在机械磨损和富水环境下保持了强大的电性能。MI-DEG作为许多电子产品的可持续能源拥有巨大的潜力。在325.0 kΩ的负载电阻下，MI-DEG达到了419 W m -2的最大功率密度，可以轻松照亮104个商业发光二极管。此外，作者开发了一个MI-DEG驱动的智能系统，用于精确监测和无线传输环境变化，这对农业和渔业的高效调节非常关键。MI-DEG驱动的智能系统主要由MI-DEG、储能单元、环境监测传感器和接收模块组成。当雨水、灌溉或喷泉的水滴落在MI-DEG上时，该智能系统就会启动，并能够完美地记录和及时更新气象监测信息。

图3 MI-DEG的耐久性和适用性

图4 MI-DEG在智能系统中的应用演示

总结：作者通过一种简单的热融合技术展示了一种高度柔性和坚固的MI-DEG装置。通过将电极和电介质材料热融合成一个有机整体，MI-DEG装置在广泛的机械作用和腐蚀环境下显示出灵活性、坚固性和卓越的耐久性，实现了高效和稳定的水能采集。此外，MI-DEG装置甚至可以在离网地区用于各种电子设备的能源供应。该工作为单片集成器件的制造提供了更多的灵活性和维度，同时也为恶劣的应用环境开发了强大的发电装置。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202206705

来源：高分子科学前沿

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