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梳理:基于碳納米管的納米發電器件的研究進展

添加人:材料人 發布時間:2019-1-7 10:57:01 來源:微信公眾號

隨著傳統化石能源的枯竭,從環境中獲取能量,如風能,太陽能,地質能,熱能和水能,一直被認為是解決日益嚴重的能源?;撓行揪?。在這些可再生能源中,將儲存在水中的潛在機械能和電化學能轉化為電能既有吸引力又有前途。因為水資源極其豐富,廣泛存在于在河流,湖泊和海洋以及我們的身體中。在過去十幾年里,碳基材料中水的發電引起了越來越多的關注。通過與流動的水或空氣中水分子的相互作用,在碳納米材料(包括碳納米管和石墨烯)中發現了水誘導的機械能到電能的轉換。在這篇進展梳理中,我們重點介紹從流動的水或空氣中水分子中通過與碳納米管材料的相互作用獲取電能的基本原理與納米發電機。
1、基于碳納米管的納米發電機
Petr Král與Moshe Shapiro通過理論計算在2001年預測了單根金屬性CNT在流動的液體中可以在CNT兩端產生電勢差[1]。如圖1所示,他們提出液體的分子沿著碳納米管表面滑動時,會在碳納米管壁激發聲子風,聲子風拖動碳納米管中的載流子發生移動。最終,在CNT兩端產生流動的電動勢。
圖1 液體從碳納米管壁外側流動時驅動碳納米管發電。
直到2003年,Shankar Ghosh等人才在實驗中證實可以通過使用基于碳納米管束的納米發電機從水流中獲取能量[2]。在純水中流速為1.8 mms-1時,產生的輸出電壓為2.67 mV,如圖2所示。他們觀察到電壓輸出對流速和極性以及液體離子濃度的對數依賴性。他們認為發電機制并不是Petr Král等人之前提出的動量轉移過程,而是由液-固界面附近的速度梯度產生的局部中性電荷的波動不平衡引起的。
圖2 液體流經碳納米管的實驗結果(內插圖為實驗裝置示意圖)。
中科院力學所趙亞溥研究員團隊于2009年采用密度泛函理論/分子動力學互迭代方法,深入了解基于充水的SWCNT中電壓產生的機理[3]。如圖3所示,他們的計算表明,由于水中偶極子鏈和電荷載體之間的相互作用,他們預測在碳納米管的兩端之間會產生17.2 mV的輸出電壓。該假設與之前的實驗結果一致,因為2008年,國家納米中心孫連峰研究員團隊在充水單壁碳納米管中觀察到的輸出電壓為8 mV。
圖3 液體流經碳納米管內部時驅動碳納米管發電。
2、基于碳納米管纖維的納米發電機
2009年,國家納米中心孫連峰研究員團隊證明了SWCNT束可用于將液體的表面能轉換為電能[4]。發電機制可歸因于各個SWCNT之間的獨特通道,其中形成連續,穩定的液體流。由于Marangoni效應和蒸發過程,液體在碳納米管束,內的微小通道中形成定向流動、驅動碳納米管發電(圖4)。當SWCNT束被乙醇浸泡時,輸出電壓增加并在約300秒內達到219 mV。而一旦用水預處理SWCNT,輸出電壓在不到1秒內上升到853 mV,這得益于Marangoni效應。
圖4 乙醇驅動單壁碳納米管束發電。
2017年,復旦大學彭慧勝教授團隊報道了基于一維纖維狀流體納米發電機(FFNG)[5]。電壓產生來自FFNG和鹽水之間的相對運動。電壓產生的工作機制基于雙電層(EDL)模型,也稱為Debye層,如圖5所示。當流體接觸FFNG時,在CNT和流體之間的界面處形成EDL。緊密層的凈電荷不能立即被流體前端的陰離子抵消,引起沿FFNG的電荷不平衡,其從CNT吸取電子以平衡多余的電荷。在流動過程中,FFNG的前半部分進一步累積了不平衡電荷,從而產生了電勢差。隨著溶液與FFNG的接觸長度不再增加,過量的電荷將逐漸被離子平衡,并且電勢差減小。有趣的是,在溶液停止流動之后電壓輸出沒有返回到零,所以輸出電壓的機制亦可歸因于碳-金屬納米材料結的化學能。這一FFNG的能量轉換效率達到23.3%,且在1000000次循環變形后仍能保持良好的高性能。
圖5 FFNG中電壓產生機制的示意圖及能連轉換效率與各類儲能器件的比較。
與之前報道的,使用流動的液體流經碳納米管發電不同,2018年,復旦大學彭慧勝教授團隊又報道了在靜止的純水中產電的發電器件[6]。當碳納米管紗線與靜止的純水接觸時,通過碳納米管紗線中化學能的釋放產生電能。單個水分子具有偶極矩,但是以液體形式,水分子隨機排列,因此純水是電中性的。然而,如果水偶極子能夠在電極的表面上定向排列,則可以分離正電荷和負電荷,可能導致電荷轉移。由于氧等離子體處理的sp2雜化碳納米管呈現出強烈的極化,這可能影響水分子的排列,故他們提出氧誘導極化電極可以使電荷在任意水源間轉移(無論其pH值或離子性,流動還是靜止)。他們的研究表明水分子和CNT之間的電荷轉移相互作用具有局部極化特性。他們使用密度泛函理論計算檢驗了水和原始CNT(PCNT)之間以及水和氧等離子處理后CNT(OCNT)之間的平均電荷轉移。通過Bader電荷分析確定,平均0.005和0.280電子分別從單個水分子轉移到PCNT和OCNT。圖6a表明,水和OCNT之間更強的電荷轉移是由電荷極化的OCNT表面和極性水分子之間的相互作用產生的。與PCNT(0.129eV)相比,OCNT上水分子的結合能更高(0.772 eV),這表明極化系統中的相互作用更強。由于這兩類材料與水之間的電荷轉移相互作用不同,一旦它們通過水橋連接,電流將在兩個電極之間流動。這表明由不同極化的碳基電極組成的系統可以在靜止水中發電。靜水發電裝置如圖6b,兩根對齊的CNT紗線(PCNT和OCNT),它們被隔開一定的距離并形成一個纖維形裝置。將PCNT和OCNT分別作為負極和正極連接到數字電源表,可獲得~0.30 V的開路電壓,并保持幾乎恒定達5000 s。當該裝置浸入去離子水中時,短路電流超過1200 mA cm-2。當該裝置浸入海水中時,由于海水的高電導率(電導率為70 mS cm-1),功率密度可達到700 mW m-2,遠高于先前報道的依賴流動水或離子水溶液的設備。最后他們呈現了一些實際應用,如圖6c-d,該靜水發電裝置能夠驅動一塊液晶屏。
圖6
(a)靜水發電器件原理示意圖;(b)靜水發電裝置;(c-d)靜水發電裝置驅動液晶屏。
3、基于碳納米管薄膜的納米發電機
2018年,清華大學范守善院士團隊報道了一種基于多孔碳納米管/聚苯胺復合物(CNT/PANI)和聚乙烯醇(PVA)凝膠的水電容器,具有能量轉換和儲存的雙重功能[7]。由于CNT/PANI具有優異的親水性和大的比電容,所以水電容器可以容易地將由毛細管,重力或氣壓差引起的水運動的能量轉換成電并儲存所產生的電。為了解釋水電容器在這項工作中的作用機理,提出并討論了一種基于毛細管作用和傳統流動電位的可能模型。特別是,夾心狀的水電容器通過100 Ω的外部負載輸出1.65 mA的大電流,并且通過串聯連接,水電容器顯示出良好的可擴展性,為未來納米發電機和儲能部件的集成提供了參考。
圖7 水電容器發電機理示意圖。
 



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