納米濕電發(fā)電機(jī)是一種新型的、必不可少的發(fā)電機(jī)，它基于電動(dòng)效應(yīng)(electrokinetic effect)，能夠從周?chē)鷱V泛分布的水分、汗水和雨水中收集可再生能源。然而，目前的纖維濕電納米發(fā)電機(jī)仍然受到間歇性的能量收集模式或有限的電力供應(yīng)困擾。
近日，四川大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)借鑒植物的蒸騰過(guò)程，開(kāi)發(fā)出了一種導(dǎo)電親水性纖維素/碳納米管纖維（RC/CNT），該纖維通過(guò)大分子鏈通道和自發(fā)蒸發(fā)可以驅(qū)動(dòng)水流連續(xù)高效流動(dòng)。結(jié)合電動(dòng)機(jī)理，研究人員發(fā)現(xiàn)僅一根自供電纖維就能產(chǎn)生恒定且巨大的160.4mV開(kāi)路電壓和高達(dá)0.4mW·cm-3的功率密度，比大多數(shù)傳統(tǒng)纖維濕電納米發(fā)電機(jī)高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。最后，研究者將108根纖維串聯(lián)或并聯(lián)編織成柔軟的織物，發(fā)現(xiàn)只需充電10分鐘就能提供1.2V的最大電源，足以為一臺(tái)電子計(jì)算器供電。該成果以“Knittable Composite Fiber Allows Constant and Tremendous Self-Powering Based on the Transpiration-Driven Electrokinetic Effect”為題發(fā)表在最新一期的《Advanced Functional Materials》上。
RC/CNT纖維的制備
受植物蒸騰作用的啟發(fā)，研究人員采用了在一根親水纖維素/碳納米管纖維內(nèi)獲得穩(wěn)定連續(xù)供水的概念，實(shí)現(xiàn)基于電動(dòng)效應(yīng)的連續(xù)發(fā)電。這種纖維是用LiOH/尿素/H2O混合的綠色溶劑通過(guò)連續(xù)濕法紡絲法制備的。它的溶解-凝固-再生系統(tǒng)是環(huán)保的，所涉及的加工程序已被證明能夠?qū)崿F(xiàn)可擴(kuò)展和連續(xù)生產(chǎn)。
RC/CNT纖維發(fā)電性能研究
研究人員設(shè)計(jì)了一種自制的自供電裝置，當(dāng)NaCl溶液(0.2mL)滴在設(shè)備一側(cè)時(shí)，將纖維浸濕，迅速產(chǎn)生電流。單根纖維的直流電壓為55.8mV，電流為31.1nA，說(shuō)明RC/CNT復(fù)合纖維可以自發(fā)發(fā)電。
CNT表面改性對(duì)發(fā)電效率的影響
為了提高表面電荷密度，研究人員提出了三種不同的表面改性方法來(lái)優(yōu)化RC/CNT纖維的發(fā)電性能。通過(guò)各種數(shù)據(jù)表明，足夠的接觸面積和CNTs與水分子的強(qiáng)相互作用，以及良好的輸水能力共同影響輸出電壓。最終，RC/酸化CNT纖維的輸出功率在四種不同的RC復(fù)合纖維中是最大的(27.6nW)。
纖維型濕電納米發(fā)電機(jī)的應(yīng)用
纖維尺寸對(duì)發(fā)電量的影響是顯著的，研究人員在將其應(yīng)用于可穿戴設(shè)備之前進(jìn)行了研究�？紤]到發(fā)電效率，選擇暴露在空氣中的長(zhǎng)度為10mm(即總長(zhǎng)度為20mm)的纖維進(jìn)行研究。此外，經(jīng)濕法紡絲制備的纖維在重復(fù)潤(rùn)濕和蒸發(fā)過(guò)程時(shí)，輸出電壓有周期性的上升/下降，表明其輸出性能穩(wěn)定，重復(fù)性好。更重要的是，纖維的輸出性能可以通過(guò)輕松地連接更多纖維并聯(lián)而成比例地提高，為多種應(yīng)用提供了卓越的發(fā)電能力。
