华中科技大学苏彬教授团队《AM》:在环境集水发电领域取得进展

清洁水源与绿色电能是人类社会可持续发展的科技保证。因此如何收集离散水能(如雾滴、雨滴)并高效地转换其机械能为电能需要进一步研究。近日,华中科技大学材料学院苏彬课题组最新研究成果“A superhydrophobic droplet-based magnetoelectric hybrid system to generate electricity and collect water simultaneously”发表在国际著名材料杂志《Advanced Materials》。上述论文设计新型的柔性磁电复合材料体系,将超疏水表面引入到课题组2019年开发的柔性磁电材料体系中 (见图1所示),提出了一种全新的收集环境离散水能的研究模型,同时实现了净水收集和电能转换。该研究为环境集水发电一体化的研究提供了新的思路和方法。

华中科技大学苏彬教授团队《AM》:在环境集水发电领域取得进展

图1. 超疏水磁电复合模型的制备及发电机理

该研究通过在柔性磁电体系内部引入由超疏水表面和丙三醇液滴构成的弹性中间层,使导电部分与磁性基底分隔开来。其中,由于低的表面能,丙三醇液滴与上下的超疏水接触面的接触呈现Cassie态。在外界压力作用下(水滴滴落),丙三醇发生受力形变,Cassie态的接触转变成Semi-Cassie态。由于该形态的可恢复性,当外力作用消失时(水滴从超疏水顶面脱离样品),丙三醇液滴的Semi-Cassie的接触恢复到Cassie态,由此实现样品内部导电线圈与磁性基底之间的相对位置的可逆改变。根据法拉第电磁感应定律,当闭合导电线圈与磁性基底之间的距离发生改变时,线圈内的磁通量发生改变,从而产生诱导电动势发电。

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图2. 超疏水磁电复合体系在下落水滴的作用下超疏水/丙三醇弹性中间层产生的形态变化及该变化的磁场仿真计算通过线圈的磁通量

利用高速摄像技术,该团队对超疏水磁电复合体系在下落水滴的作用下的形态变化进行了监测(图2)。结果显示,当水滴滴落在样品顶面时,其中的超疏水/丙三醇弹性中间层发生了如机理预期的形态变化。基于该形态变化引起的磁电相对距离的改变,该团队进行了磁场仿真模拟计算,来研究磁/电部分相对位置变化引起的通过线圈的磁通量变化。

作为超疏水磁电复合体系样品的对照实验,该研究对未进行超疏水处理的器件进行了对比研究。如图3所示,超疏水基样品对下落水滴有明显的电学信号响应(绿色曲线)。与之相反,对于未进行中间层超疏处理的对照样品,中间层表面对丙三醇液滴有亲液浸润性,因此丙三醇在其中不能保持独立的液滴状态而只能以液膜的形态存在。在同样的外力作用下(水滴滴落),丙三醇液膜柔性支撑层只能呈现微小的变化,因而其电学响应远远小于经过超疏处理的样品(橘红色曲线)。该结果突出了对超疏水中间层的重要性。

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图3 对样品的丙三醇中间层进行/未进行超疏水处理的对比研究

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图4. 集收集环境离散水源与发电于一体的超疏水磁电复合模型

该研究进一步向超疏水磁电复合体系引入了仙人掌仿生结构,使其在收集分散微型水滴的同时,对其能量势能转化而来的动能进行转化并以电能的形式输出(如图4所示)。

该研究最大的意义在于采用了一种全新的磁电复合体系,从超浸润界面的研究视角切入,将具有机电转换功能的磁电复合体系与特定超疏水的表面设计相结合,并引入仿生设计,得到了收集环境离散型水源(如雾、雨水等)与发电一体化的超疏水基电磁模型。

材料学院马征博士后为论文第一作者,在苏彬教授的指导下完成。该研究得到国家自然科学基金海外高层次人才基金,博士后基金,华中科技大学人才引进基金等项目的资助。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202006839

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