专栏名称: 高分子科技

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东北林业大学 Nature子刊：仿生多层结构构建的高效热电转化与持续功率输出策略

高分子科技 · 公众号 · 化学 · 2022-09-01 15:46

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大自然中，能量流动无处不在。自然光照，雨滴下落，微风轻拂，自然蒸发…。这些自然现象无时无刻不伴随着动态的质量与热量传输过程。然而，这些低品位天然能源却往往被能源匮乏与碳中和的当代人所忽视。这种无序分布的高熵能源的有效收集与利用对物联网和传感器时代的分布式、移动式、小功率但数量剧增的小电源头网络，意义重大。

研究表明，水蒸发发电的水伏效应是环境能量收集的新思路，通过蒸发驱动水分流经功能化纳米孔道，在固-液界面实现环境热能到电能的热电转化。太阳能热辐射实现局域升温加快水蒸发的界面蒸发是近来提出的极具启发性的光热转化策略，将这种方法应用于水伏发电实现高效热电转化是一种新尝试。

近日，东北林业大学孙壮志教授、东北林业大学于海鹏教授、香港城市大学王钻开教授合作报道了通过仿生蛾眼表面的光捕获结构构建与多功能层的层次设计，实现高效的水蒸发发电和连续功率输出。相关成果“Achieving efficient power generation by designing bioinspired and multi-layered interfacial evaporator”发表于《Nature Communications》。东北林业大学为第一通讯单位，该研究已获得国家自然科学基金项目(51905085、52175266、51975502)与国家杰出青年科学基金项目(31925028)等资助。

这种仿生多层发电策略是将纳米纤维功能表层、高导电性中层与离子凝胶底层相结合，并引入仿生光捕获结构，利用它们的协同作用构建一种仿生多层界面蒸发驱动热电转化系统。其中，仿生光捕获结构可有效延长光程提高光吸收效率；纳米纤维功能表层与中层可高效光热转化太阳能提升界面温度，增强蒸发速率和产电输出；底层离子凝胶提供充分的水分存储与输运，保障稳定蒸发。该系统实现96.7%的光吸收效率和 2.78 kg m^-2 h^-1的水分蒸发率，并在优化的外界环境条件下（2.0 kW m^-2光强、1 m s^-1风速、海水），获得11.8 μW cm^-2的电输出功率密度，如图1与图2所示。该工作提出一种可持续的高效界面蒸发驱动热电转化策略，并为多种天然能源收集与利用提供理论基础。