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一种导电亲水性纤维素/碳纳米管纤维

发表时间:2022/5/10

纳米湿电发电机是一种新型的、必不可少的发电机,它基于电动效应(electrokinetic effect),能够从周围广泛分布的水分、汗水和雨水中收集可再生能源。然而,目前的纤维湿电纳米发电机仍然受到间歇性的能量收集模式或有限的电力供应困扰。

近日,四川大学研究团队借鉴植物的蒸腾过程,开发出了一种导电亲水性纤维素/碳纳米管纤维(RC/CNT),该纤维通过大分子链通道和自发蒸发可以驱动水流连续高效流动。结合电动机理,研究人员发现仅一根自供电纤维就能产生恒定且巨大的160.4mV开路电压和高达0.4mW·cm-3的功率密度,比大多数传统纤维湿电纳米发电机高出一个数量级。最后,研究者将108根纤维串联或并联编织成柔软的织物,发现只需充电10分钟就能提供1.2V的最大电源,足以为一台电子计算器供电。该成果以“Knittable Composite Fiber Allows Constant and Tremendous Self-Powering Based on the Transpiration-Driven Electrokinetic Effect”为题发表在最新一期的《Advanced Functional Materials》上。



RC/CNT纤维的制备

受植物蒸腾作用的启发,研究人员采用了在一根亲水纤维素/碳纳米管纤维内获得稳定连续供水的概念,实现基于电动效应的连续发电。这种纤维是用LiOH/尿素/H2O混合的绿色溶剂通过连续湿法纺丝法制备的。它的溶解-凝固-再生系统是环保的,所涉及的加工程序已被证明能够实现可扩展和连续生产。



RC/CNT纤维发电性能研究

研究人员设计了一种自制的自供电装置,当NaCl溶液(0.2mL)滴在设备一侧时,将纤维浸湿,迅速产生电流。单根纤维的直流电压为55.8mV,电流为31.1nA,说明RC/CNT复合纤维可以自发发电。



CNT表面改性对发电效率的影响

为了提高表面电荷密度,研究人员提出了三种不同的表面改性方法来优化RC/CNT纤维的发电性能。通过各种数据表明,足够的接触面积和CNTs与水分子的强相互作用,以及良好的输水能力共同影响输出电压。最终,RC/酸化CNT纤维的输出功率在四种不同的RC复合纤维中是最大的(27.6nW)。



纤维型湿电纳米发电机的应用

纤维尺寸对发电量的影响是显著的,研究人员在将其应用于可穿戴设备之前进行了研究。考虑到发电效率,选择暴露在空气中的长度为10mm(即总长度为20mm)的纤维进行研究。此外,经湿法纺丝制备的纤维在重复润湿和蒸发过程时,输出电压有周期性的上升/下降,表明其输出性能稳定,重复性好。更重要的是,纤维的输出性能可以通过轻松地连接更多纤维并联而成比例地提高,为多种应用提供了卓越的发电能力。


原文链接https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.20220366


(来源:高分子科学前沿)