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admin 7个月前 ( 03-14 05:01 ) 0条评论
摘要: 面对传统化石能源的快速消耗和日益严重的环境问题,新的绿色能源被广泛研究和开发。利用水汽发电由于水资源丰富、设备简单、绿色环保等原因,被认为是很有希望的清洁能源收集和转化方法。...

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人的呼吸可以发电?是的,你没看错,人们呼出的气体中含有大量水汽,可用于产生电能。面对传统化石能源的快速消耗和日益严重的环境问题,新的绿色能源被广泛研究和开发。利用水汽发电由于水资源丰富、设备简单、绿色环保等原因,被认为是很有希望的清洁能源收集和转化方法。当然,将水汽变成电能,还需要一个小小的装置——聚合物湿气发电机(polymer moist-electric generator, PMEG)。这是什么神器?让我们来一探究竟。

近日,北京理工大学曲良体教授团队在Energy & Environmental Science 杂志上发表文章,介绍了一种利用传统的聚(4-苯乙烯磺酸)(PSSA)聚电解质膜在湿气存在下高效发电的新方法。一片1 cm2的PSSA膜与上、下两个电极构成的聚合物湿气发电机,结构简单成本低,可提供高达~0.8 V的开路电压和~0.1 mA cm-2的短路电流密度,足以为多种电子器件供电。此外,这种聚合物湿气发电机具有良好的柔性,可以为可穿戴设备和其他柔性电子设备供电。实验和理论建模分析表明,PSSA膜内水分引发的质子定向移动是聚合物湿气发电机的工作机理。



PMEG用湿气发电。图萌封神漫画片来源:Energy Environ. Sci.

这项研究的思路是怎么来的呢?作者在文中表示,给他们带来启发的是生物体内一个关键的能量转换和储存过程——“能量货币”ATP的生产。在线粒体内膜上,电子通过被称为“电子传递链”的一组蛋白质复合物从电子供体(例如NADH)转移到受体(例如O2),同时该反应释放的能量帮助质子穿过线粒体内膜,形成pH梯度。在这种pH梯度的驱动下,泵出的质子通过一种被称为“ATP合酶”的酶流回到的线粒体内膜之内。这个过程被称为化学渗透,而ATP合成酶利用来自化学渗透的能量将ADP快乐大本营20140517转化为ATP(下图)。通过电子和质子的耦合传输,来源于有机物代谢的大量能量被转换并存储到ATP中,支持细胞的正常生命活动。这一过程中,质子浓度梯度驱动的质子定向移动是整个能量转换过程的关键。P齐思乔SSA这种常见聚电解质具有丰富的磺化官能团,遇到水分会释放游离质子。那么,如果PSSA膜一边遇到湿气而另一边保持干燥,会不会形成质子浓度梯度?有没有可能导致质子定向移动并产生电流?



线粒体内膜中电子和质子传输示意图。图片来源:Energy Environ. Sci.

基于这些的想法,研究者进行了尝试。他们用市售的PSSA直接浇筑成膜,无需前处理和后处理。随后一片11 cm2的PSSA膜被夹在上下两个电极之间,其中上电极上有多个孔洞,以便湿气接触PSSA膜(下图a)。电学测试结果表明,在80%相对湿度下,这个简单PMEG装置的开路电压可高达~0.8 V(下图b),短路电流密度可高达~0.1 mA cm-2。随后,研究者还测试了这种PMEG的循环性能,在每次发电之后干燥30分钟再次用于发电,如此循环20次,性能没有发现明显变化,而且PSSA膜的结构也没有发现明显变化。与其他基于水分的发电装置相比(下图c),这种PMEG可兼顾高电压和高电流密度,性能更加出色。



基于PSSA的PMEG实验装置示意图及电性能。图片来源:Energy Environ. Sci.

在实际应用中,可以通过多个PMEG器件的串联、并联来提高电压、电流的输出。例如,串联两个PMEG单元可以很容易地实kreayshawn现~1.5 V的电压输出,而串联庐剧大全盛小五夫妻版三个PMEG单元时,可以达到~2.3 V(下图a)。同时,扩大膜面积,就可以增加输出电流,达到约0.26 mA不算难事(下图b)。这种功率输出水平足以保证许多电子设备正常运行了,而无需其他器件如电容或者整流器的帮助。实验中,研究者用这种PMEG给计算器供电,进行开平方计算(下图c/d);或巫金闯花都者带动一台液晶屏游戏机,打打小游戏(下图f)。



PMEG的实际应用。图片来源:Energy Environ. Sci.



PMEG为计算器供能。图片来源:Energy Environ. Sci.

研究者将PSSA膜夹在预印了碳基电极的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜之间,制备了柔性PMEG器件。反复、剧烈的弯曲和扭转,不会显著影响周思盈输出性能。赵春城苏媚柔性器件更易于穿戴,研究者在实验中设计了一种“发电口罩01095300”,内含两个串联PMEG柔性器件,利用人呼出气体中的水汽发电,为连接的电容器充电(下图c/d/e)。除了呼吸,这种PMEG可以从各种各样的湿气源(如蒸汽和雾气)中收集能量。实验中,这种PMEG可以利用沸水产生的热蒸汽或超声波加湿器产生的水雾发电,点亮LED灯泡(下图f/g)。



柔性PMEG器件。图片来源:Energy Environ. Sci.

前面说过,PSSA膜之所以能够利用湿气发黄晓彤电局放仪,可能是因为遇水释放的质子形成了浓度梯度并婚婚纵爱全国企业信用信息公示系统,福彩双色球开奖,公司驱动质子定向陈子豪揭穿魄狙移动。PSSA膜在遇水之前,并没有任何可检测的电信号(下图a,左);接触水柏寒儿子气之tickleboy后,水分子促使磺酸基团释放质子(下图a,中);水分子继续穿透和湿润PSSA膜,质子由浓度差驱动产生定向移动,在外电路产生可检测的电输出(下图a,右)。实验和理论建模均证实了研究者的设想,PMEG器件依靠质子浓度梯度驱动的质子定向移动产生电能。研究者还将这一策略推广到其他类似PSSA的聚电解质中,例如聚乙烯醇(PVA)婧祎怎么读、聚丙烯酸(PAA)、羟乙基纤维素、Nafion、瓜尔胶、海藻酸钠等,都可以利用湿气发电,这也证明了重生之席湛这一机制的通用性。



PMEG发电机理及实验验证。图片来源:Energy Environ. Sci.

小结


曲良体教授团队利用常见的聚电解质膜构建了一种极其简单的柔性能量转换装置,利用湿气产生电能,可为多种电子器件供电,有望用于便携式和可穿戴电子设备中。同时这项工作为传统的聚电解质膜和其他类似聚合物膜的应用提供了一个新的视角,证明了水分诱导的质子定向运动完全可以用于产生电能,提出了一种低成本、方便、简单的湿气-电能转换通用策略。

原文

An efficient polymer moist-electric generator

Energy Environ. Sci., 2019, DOI: 10.1039/C9EE00252A

导师介绍

曲良体

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关于Energy & Environmental Science

Energy & Environmental Science是能源环境领域的领先刊物,报道能源转化与存储、替代型燃料技术等能源环境科学领域的重大、高影响力、开拓性研究成果,2017年影响因子为 30.067。

(本文由小希供稿)

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作者:admin本文地址:http://evolution-m.com/articles/261.html发布于 7个月前 ( 03-14 05:01 )
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