复旦大学Angew. Chem. Int. Ed.：具有高转化率的一维流体纳米发电机

【引言】

由于日益严重的能源危机，从环境中收集能量已经成为能源主要来源方式。流水是自然界中最容易获得的能量之一，如小溪、河流、湖泊和海洋以及人身体里的组织液和血液。这些流动物体产生能量稳定且持续，不像自然界里的风能、太阳能，容易受到气候的影响。过去，人们通过水轮和水坝收集流动物体的能量。然而，笨重和复杂的设备限制了他们在小尺寸和柔性的工作环境中应用。为此，研究人员利用多壁碳纳米管（MWCNT）构建了一种轻质量、柔性且可拉伸的纤维基流体纳米发电机（FFNG）。该发电机可以收集环境和人体中各种流动液体的能量，可以同过液体离子浓度、温度和流动速度来控制发电机的输出。

【成果简介】

近日，复旦大学大学高分子科学与先进材料实验室彭慧胜教授（通讯作者）研究小组构建了一种轻质量、柔性且可拉伸的纤维基流体纳米发电机。该发电机可以收集环境和人体中任意流动液体的能量。它的能量转化效率达23.3%，同时在经历1000000的形变后，依然可以保持很好的性能。该研究成果以“A one-dimensional fluidic nanogenerator with a high power conversion efficiency”为题发表在Angewandte Chemie-International Edition 上。

【图文导读】

图1. FFNG的测量图和结构表征

（a）用直径为8mm多壁碳纳米管构建的FFNG照片；

（b）在低倍放大下，FFNG的扫描电镜侧视图；

（c）在高倍放大下，FFNG的扫描电镜侧视图；

（d）在流水中，测量FFNG电学输出实验步骤的示意图。

图2. 盐水在FFNG表面流动产生的电学输出

（a）  FFNG在饱和NaCl溶液1.2cm/s的流速下往复流动的输出电压；

（b）  输出电压和0.6M NaCl溶液的流动速度之间的关系；

（c）  输出电压、电流和NaCl溶液浓度之间的关系（流速为12.9cm/s）；

（d）  在饱和NaCl溶液中，输出电压和FFNG的有序介孔碳含量之间的关系（流速为20cm/s）；

（e）  浸入到NaCl中，含序介孔碳的FFNG随弯曲次数增加的输出电压，插图为FFNG在NaCl溶液中分别弯曲200000、600000和1000000次后的电压输出。

图3. FFNG和其他纤维基纳米发电机的能量转换效率和柔韧性

染料敏化太阳能电池、钙钛矿太阳能电池、量子点敏化太阳能电池、有机太阳能电池、无机太阳能电池和摩擦纳米发电机的能量转化效率。

图4. FFNG的机理

（a）  FFNG流动电势的机理示意图，液体中MWCNT的表面形成双电层；

（b）  将含有序介孔碳的FFNG浸入到0.6M NaF, NaCl, NaBr 和 NaI溶液中的电压输出（有序介孔碳含量为5.1mg/cm）；

（c）  将含有序介孔碳的FFNG浸入到0.6MLiCl, NaCl, KCl, RbCl 和 CsCl溶液中的电压输出（有序介孔碳含量为5.1mg/cm）。

【小结】

该团队用MWCNT作为电极材料结合双电层原理，构建了一种轻质量、柔性且可拉伸的流体纳米发电机。该发电机有很好的稳定性和持久性，同时，其一维的结构有望植入人体，收集血液的能量。这种新方法为发展未来高效和小型化的能源系统提供了可借鉴的方法。

文献链接：A one-dimensional fluidic nanogenerator with a high power conversion efficiency（Angew. Chem. Int. Ed.，2017，DOI: 10.1002/anie.201706620）

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