苏州纳米所张珽 Nat. Commun.：热传导效应增强水力发电

【背景介绍】

天然水（natural water）是最丰富的资源，覆盖地球表面70%以上，其中蒸发是水循环的重要组成部分。由于水蒸发的自发性和普遍性，近年来水蒸发驱动的水力发电（hydrovoltaic generators, HGs）得到了广泛的发展。特别是，在环境条件下，功能化多孔炭黑膜中的水分蒸发可靠地产生高达1 V和100 nA的持续电压和电流。然而，受限的环境温度和缓慢的热量补充限制了水的蒸发速率，从而限制了HGs的性能。在蒸发过程中，水分子相变过程中的能量消耗所引起的热梯度一直被忽视，但却为获取环境能量提供了宝贵机会。

柔性热电材料（flexible thermoelectric materials）的快速发展，为突破HGs的这些限制提供了可能性。柔性热电材料的顺应性和导热特性为与柔性HG结合提高性能提供了基础，但是导热匹配和界面匹配也仍然存在挑战。在材料方面，导电聚合物和有机/无机杂化物是两种主要的柔性热电材料，它们可以通过将其贴合到人体等弯曲热源上直接将热转化为电能而受到广泛关注。目前对柔性热电材料的研究主要集中在高性能材料和器件的制备上，近期开发了一系列高性能热电发电机（thermoelectric generators, TGs），但是柔性热电材料中由热传导引起的热损失以及可用热梯度源的缺少阻碍了TGs的发展。
【成果简介】

近日，中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张珽研究员（通讯作者）等人报道了一种热传导效应增强的水力发电机（hydrovoltaic power generator, HCEHG），即通过在多孔的双尺寸Al₂O₃（d-Al₂O₃）背面上合理地集成柔性离子热电（ionic thermoelectric, i-TE）明胶，构建了一个HG作为热传导层，以提高蒸发电能输出，并保持持续的热电转换而无需任何特殊的环境要求。在发电机中，i-TE材料可以改善d-Al₂O₃膜和附近环境之间的热传导提高水的蒸发率。其中，在温度为294.6 K和30%相对湿度（RH）下，将HG的性能提高到4.0 V。在HG模块的协同作用下，连续蒸发的水可以为热电发电机提供约2.0 K的恒温温差。更重要的是，热电组件的黑色表面可以有效地将太阳辐射转化为热量，温差达到4 K，在1个标准太阳（1 standard sun）下，水电部分的开路电压（V_hoc）稳定在6.4 V，这是所报道的水电发电机的最大值。此外，所产生的电能不仅可以存储在商用超级电容器中，而且还可以直接驱动数字计算器等电子设备，或者用作可穿戴设备的能源供应平台。研究成果以题为“IEnhancing hydrovoltaic power generation through heat conduction effects”发布在国际著名期刊Nature Communications上。

【图文解读】

图一、HCEHG的示意图  © 2022 The Authors

图二、柔性多孔d-Al₂O₃ HGs的发电性能  © 2022 The Authors
（a）在295.6 K的环境温度和22.3% RH下，开路电压响应与时间曲线；

（b）多孔d-Al₂O₃薄膜的扫描电子显微镜（SEM）图像；

（c）蒸发驱动HG的工作机制示意图；

（d）填充时间、V_hoc和I_hsc作为200和20nm Al₂O₃质量比的函数；

（e）在不同弯曲状态下，测量的纳米发电机的V_hoc；

（f）发电机的输出电压和功率作为常温环境中负载电阻的函数

图三、柔性TG模块的组成及发电性能 © 2022 The Authors
（a）制备TG的结构示意图；

（b）弯曲PET薄膜上的准固态离子明胶的光学图像，显示了所用i-TE材料的柔韧性；

（c）CFF薄膜的SEM图像；

（d）在温度梯度下制备的柔性离子明胶中离子的扩散、氧化还原反应和相互作用示意图；

（e）在不同温度梯度下，制备的TG产生的电压；

（f）不同温度梯度下的短路电流响应与时间曲线；

（g）在8.6、23.8和42.2 K的ΔT下，不同负载电阻下的相应功率密度；

（h）循环热梯度下的电压变化，从0到8.6 K和0到23.8 K，经过20次循环

图四、HCEHG的概念验证 © 2022 The Authors
（a）HCEHG的结构示意图；

（b）在环境温度为294.6 K和湿度为30% RH下，有无热电模块的水电模块的开路电压响应与时间曲线；

（c）d-Al₂O₃薄膜和TG模块表面的实时温度变化和对应的温差；

（d-e）d-Al₂O₃薄膜表面和TG模块表面的红外热图像；

（f-g）d-Al₂O₃薄膜表面和TG模块表面在1 kW m^-2光密度下的红外热图像；

（h）一个太阳照射下，水电模块和热电模块的实时V_hoc和V_toc变化；

（i）一个太阳照射下，水电模块和热电模块的实时I_hsc和I_tsc密度变化；

（j）由蒸发驱动的单个HG产生的最大电压

图五、HCEHG的应用 © 2022 The Authors
（a）由HCEHG驱动的数字计算器的照片；

（b）商用电容器在阳光下由HG的d-Al₂O₃ HG部分充电时的实时电压变化；

（c）食指和中指接近时热电模块的实时电压变化，从5 cm到2.5 cm再到0 cm；

（d）可穿戴功率传感器系统示意图，包括HCEHG、柔性CNT压力传感器和蓝牙设备；

（e）将HG驱动的传感器连接到颈动脉来检测实时脉搏曲线

【小结】

综上所述，作者通过在多孔d-Al₂O₃构建的HG背面合理组装柔性i-TE明胶来制备HCEHG，以突破现有的限制环境温度和HG的缓慢热量补充限制。在HCEHG中，热电器件可以改善d-Al₂O₃膜与附近环境之间的热传导，从而提高水的蒸发率，其在294.6 K和30%相对湿度（RH）下将水力发电机的性能从3.4 V提高到4.0 V。同时，双粒径Al2O3纳米颗粒设计可以有效地提高水中带电离子的选择性。在协同作用下，HG与连续的水蒸发可使热电发电机产生约2.0 K的恒定温差。在光密度为1 kW m^-2（1 sun）下，黑色表面可以有效地实现太阳能到热能的转换，将热电表面温度从290.1 K提高到300.5 K，温差将达到4 K，同时水电部分的稳定V_hoc为6.4 V，这是已报道的最高值。此外，产生的电能不仅可以储存在商用超级电容器中，还可以直接驱动数字计算器等电子设备，或者用作可穿戴设备的能源供应平台。总之，柔性HCEHG创造性地利用了水蒸发产生的最常见的热电梯度，同时实现了HGs的性能改进，为环境能源（热能、太阳能等）的协同集成发电提供了一种有前途的方法。

文献链接：Enhancing hydrovoltaic power generation through heat conduction effects. Nature Communications, 2022, DOI: 10.1038/s41467-022-28689-8.

本文由CQR编译。

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