水蒸发驱动的层状双金属氢氧化物柔性纳米发电机

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自然环境和日常生活中存在着大量潜在的浪费能源,例如环境中的热能,人体运动产生的低频机械能,雨滴下落的动能等,这些能源由于其随处可见、储量巨大、清洁环保等优点引起了全世界的关注。自然界的水蒸发是一种无处不在的现象,水在蒸发过程中需要吸收环境热能,而这种吸收的热能除了引起水分蒸发外,一直没有得到有效的收集或者转化。2017年,科学家完成了利用水蒸发现象将环境中的热能转化为电能的探索性工作。他们采用纳米碳材料作为工作物质,通过润湿碳材料中水的蒸发过程,巧妙地将环境能转化为电能,并成功驱动了电子器件,为水蒸发驱动纳米发电器件的研究奠定了实验基础。这些工作中,往往需要利用有机物未完全燃烧产生的炭黑作为工作材料,同时需要采用特殊工艺对材料进行改性处理,例如高温退火和等离子体处理等,使得这种技术只适用于石英或蓝宝石等耐高温的刚性衬底,这无疑将限制该技术应用范围同时也增加了成本。为更好的实现环境热能的收集和转化,拓宽水蒸发纳米发电器件的应用范围,急需开发出一种材料和工艺技术来制备使用广泛且工艺简单的新型水蒸发发电机。本文,首次提出将层状双金属氢氧化物材料(Layered double hydroxides-LDHs)作为工作材料应用在水蒸发发电领域,制备出了一种制备工艺简单、成本低廉的水蒸发驱动的Ni/Al-LDH纳米发电机。系统研究了Ni/Al-LDH材料的结构、形貌、化学组成、表面电荷等特性。该器件以柔性的PET为衬底,以多壁碳纳米管为电极,Ni/Al-LDH薄膜为工作材料,采用简单涂刷方法将其涂刷在衬底上。单个器件(工作面积为10 cm×1.5cm),在室温无风的条件下可以产生0.7 V的开路电压(Voc)和1.3μA的短路电流(Isc),最大输出功率密度为12μWcm-3。该器件不仅具有简单易行的室温制作工艺和良好的柔性,而且通过简单的串并联驱动了集成电路,进一步实现了水蒸发纳米发电机的功能化应用。
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