Advanced Functional Materials: 具有超浸润表面的纳米发电机用于收集水/液体能量

水覆盖了地球表面约70%的面积,其中蕴含着大量尚未开发的能量。目前的大规模水力发电主要依靠电磁发电机将水流的动能转化为电能,然而电磁发电机不适于收集雨滴、波浪、潮汐等低频水流。新兴的纳米发电机是一种有前景的替代方法,其可以通过摩擦发电、动电或压电效应高效地将低频水流转化为电能。从界面的角度区分,纳米发电机可以分为三种类型:固/液,液/液和固/固。尽管工作机制和界面类型各不相同,纳米发电机需要精心调控基底的界面参数以实现液体质量、动量的快速转移及电的生成和转移。特别是受自然界多种特殊浸润现象的启发设计的超浸润表面,为从根本上调节液体和电荷与基质的相互作用提供了一个新的维度。超浸润表面与纳米发电机的结合不仅为设计新型能源收集装置提供了新的途径,还提供了实现传统设计无法达到的性能的潜力。

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香港城市大学机械工程系王钻开教授课题组,基于近期相关工作和已有的文献报道,系统综述了利用界面工程开发新型纳米发电机的最新进展。文章首先介绍了超浸润表面和纳米发电机的背景。文章强调了纳米发电机与超润湿表面的结合所带来的优势,并以平行的方式回顾了不同界面类型的研究进展。文章还总结了代表性的实际应用,包括自供电传感器、自供电防腐蚀和防生物污染、可穿戴和植入式发电、混合发电系统及蓝色能源。最后,文章讨论了利用纳米发电机获取水/液体能量所面临的挑战和未来的展望。

纳米发电机与超润湿表面的结合具有本征的优势。超浸润表面,例如超滑表面(SLIPS)或者超疏水表面,可以凭借其极低的滚动/滑动角及粘附力来排斥液滴。这一显著的特性赋予纳米发电机一种理想的自清洁特性,使覆盖在其表面的污垢颗粒可以被自动清除。此外,它还有助于有效的传质,从而促进基于摩擦发电效应和电动效应的纳米发电机的电荷生成。以摩擦纳米发电机(TENG)为例,如果没有有效的传质,大量的液体会停留在固体表面,从而中和电极上的摩擦电荷,严重制约能量转换效率。相反,在纳米发电机中引入超润湿表面可以确保有效的传质和可逆的电荷转移,实现连续和持续的获取环境能量。液滴的重复撞击可以不断提高基底表面的电荷密度并达到饱和。王钻开教授课题组借助类似场效应晶体管的结构设计,使基底储存的大量静电荷发挥体效应优势,极大提升了液滴发电机的能量转化效率。此外,超浸润表面赋予了纳米发电机良好的环境适应性,延长了其在各种环境条件(包括高湿度和低温)下的使用寿命。

该综述从界面工程的角度探讨了纳米发电机的研究进展及所面临的挑战和未来的展望,为新型高效纳米发电机的开发及其应用提供了指导性的策略。相关论文以Nanogenerators with Superwetting Surfaces for Harvesting Water/Liquid Energy为题目在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201908252)上,香港城市大学王钻开教授为通讯作者,博士后王洋为第一作者,博士生高寿伟和徐王淮参与了文章的讨论和撰写。