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可穿戴式能量转换与存储材料及器件研究进展

日期:2017-01-11

可穿戴式移动医疗是重要的发展趋势,如何为可穿戴式电子器件持续供电已经成为瓶颈。我们人体本身就是一个巨大的能量来源,主要包括人体运动、体温等。武汉光电国家实验室周军教授团队一直围绕面向人体的可穿戴式能量转换与存储材料及器件开展研究,并取得新的进展。

在能量存储材料与器件方面,他们与美国加州大学San Cruz分校Yat Li教授组合作,利用高温水热法制备了超长MoO3纳米线,制备了柔性透明的MoO3纳米纸(图1)(Flexible Transparent Molybdenum Trioxide Nanopaper for Energy Storage, Adv. Mater. 2016, 28, 6353)。相关研究成果被Chemistry Views 以“Nanopaper For Energy Storage”为标题专题报道,认为该薄膜在柔性电子器件具有良好的应用前景。在此基础上,他们与美国Drexel大学Yury Gogotsi教授合作,发展了酒精还原法,在较低的温度下(90-150 oC)实现对MoO3纳米线部分还原,并显著增加(020)晶面的层间距,同时提高电子和离子的传输性能(Ethanol Reduced Molybdenum Trioxide for Li-Ion Capacitors, Nano Energy 2016, 26, 100)。进一步地,他们发明了微波燃烧改性金属氧化物的普适方法(专利申请号:201610979690.9),实现在短时间内(~ 60 秒)对系列氧化物(包括Nb2O5、V2O5、WO3、MoO3、TiO2等)进行部分还原,引入氧空位缺陷(Microwave Combustion for Modification of Transition Metal Oxides, Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 7263)。此外,黄亮博士还与美国佐治亚理工学院Meilin Liu教授合作,发展了利用刮涂法连续制备金属氧化物/碳纳米管自支撑复合膜电极材料的方法(A Scalable Free-Standing V2O5/CNT Film Electrode for Supercapacitors with a Wide Operation Voltage (1.6 V) in an Aqueous Electrolyte, Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 6114)。

 

 

 

图1 透明MoO3纳米纸及其折叠后的照片

在能量转换材料与器件方面,他们人利用热压印技术并结合模板法,制备了具有内部规则孔洞结构的EVA/BOPP复合薄膜(图2)。这种复合薄膜具有表面电势自动恢复的能力,即使在经历100次泡水处理,表面电势仍然能够恢复到1000 V以上,克服了传统驻极体薄膜在高湿度环境中丧失电荷的缺点(专利申请号:201521026805X;Surface charge self-recovering electret film for wearable energy conversion in a harsh environment, Energy Environ. Sci. 2016, 9, 3085)。他们首次将凝胶电解质引入到热电化学电池中,这种热电化学电池能有效满足可穿戴电池的柔韧需求,同时可以解决电解液在器件中的封装和集成难题(物理化学学报评论),实现了人体热能的转化(专利申请号:2016107356139;Wearable Thermocells Based-on Gel Electrolytes for Utilization of Body Heat, Angew. Chem. Inter. Ed. 2016, 128, 12229)。相关研究成果还被Science Daily、Nanowerk、物理化学学报等国内外20余家学术媒体和期刊专题报道。在此基础上,他们基于热电化学和固液界面的浸润耦合效应,利用一个含有K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6]氧化还原对的液滴实现了温度和压力的双传感,为电子皮肤的研究提供一种新思路(elf-powered Multimodal Temperature and Force Sensor Based-on a Liquid Droplet, Angew. Chem. Inter. Ed. 2016, 55, 15864)。他们与能源与动力工程学院冯光教授合作还针对固液、固气界面的电荷转移和传输机理进行深入研究,揭示了多孔薄膜内部水分子吸附所产生的电荷转移规律,首次发现水蒸气分子在官能团非均匀分布的多孔碳膜表面吸附能产生稳定的电势(Vapor Adsorption Induced Potential in Porous Carbon Film, Angew. Chem. Inter. Ed. 2016, 55, 8003),并设计出基于微通道的封闭式、工质自循环的透明柔性纳米发电机(Flexible microfluidics nanogenerator based on the electrokinetic conversion, Nano Energy 2016, 30, 684)。

 

 

图2 EVA/BOPP复合薄膜的制备流程、照片及SEM图

 

 

图3 基于凝胶电解质的柔性热电化学电池示意图

上述研究工作得到了国家自然科学优秀青年基金(51322210)、面上项目(51672097)、重点项目(61434001)以及武汉光电国家实验室主任基金等支持。(武汉光电国家实验室)

 

http://www.wnlo.cn/index.php?id=5214

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