刘德桃课题组研制成功长周期自发呼吸空气水分子的天然离子木材发电机

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随着能源危机的持续威胁和化石能源的持续消耗，清洁能源和低碳环保材料备受国内外研究者们的广泛关注。与其他清洁能源如太阳能、风能、氢能、核能、水力能等发电相比，气态水分子（湿气）是一种储量极为丰富且可循环、持续利用的自然资源，具有分布极广、成本低廉、易采集且不受任何气候和地理条件的限制等优势。依靠湿气诱导发电是一项涉及众多学科的集成技术，具有在自供电电子、医疗保健、安全、信息存储、人工智能和物联网等领域广泛应用的巨大潜力，是当前我国可再生新能源领域研究的热点之一。目前，湿气发电的发展仍存在发电性能低且稳定性、持久性较差等瓶颈问题，亟需发展高水平湿气产电的新型功能材料，应对工业、农业、城市智慧生活的重大应用需求，同时为未来战场、极端环境作业取电等提供一个新的重大技术支持。
        我院刘德桃课题组受树木自然生长过程中水分子、离子运输机制启发，开发了一种木材腔壁微纳米表面操纵技术，由天然木材直接加工成了一种特殊的离子木材功能结构，同时还保存了天然木材独特的从上到下能够定向输送离子的微通道，并在腔壁表面形成了一种由纳米纤维素粘连LiCl纳米粒子构建的蜘蛛网状超结构，高效捕集空气水分子，实现高效可持续的离子运输机制，使得自供电设备的电量输出水平及其稳定性方面取得了重大突破。

图1 离子木材的制备过程及器件的发电性能

       单个器件面积（40 mm×40 mm×3.0 mm）具有优异的产电能力（～700 mV开路电压，～712 μA短路电流；其中短路电流输出能力是当前大多数功能材料的100～1000倍）。该项新技术还具有很强的气候环境适应性和稳定性，在严苛的外界环境中及剧烈的环境因素的波动下电压可以保持相对稳定，在环境湿度大动态变化下（RH= 5～100%）获得较稳定发电的优势，该项新技术突破并解决了当前湿气产电设备难以实现高电压、高电流及稳定性的共性难题，将为未来战场极端野外生存、军用蜜蜂无人机、高空大气气候监测、干旱沙漠及南极洲极端环境作业取电提供了新的技术支持。
课题组成员还通过充放电曲线的测试，发现该器件也具有类似于商业电池一样的反复充放电的性能，不同的是该器件充电的原料仅仅是环境空气中无处不在的水分子，而不是电力。
        在后续进一步技术与材料结构优化中，还发现该设备可在空气中长周期自发地反复充放电且衰减很小，具有在室内建筑照明设备供电、新能源交通动力、军事工业等应用的巨大商业潜力，已获得相关知名企业的高度关注和紧密洽谈。
作者信息：
       2022年2月17日，该科研成果以Useful Spontaneous Hygroelectricity from Ambient Air by Ionic Wood为题名获得国际高水平知名期刊《Nano Energy》在线发表。我院刘德桃老师为论文的通讯作者，硕士生李杨为论文第一作者。其他参研人员崔结东、沈浩宇、刘超成、吴培琳、钱志云、段雨龙均为本项工作做出了重要贡献。该项研究得到了广东省自然科学基金项目等课题的资助。
       原文连接：https://www.sciencedirect.com/sc ... 001495?dgcid=author


       课题组简介：
       刘德桃课题组的研究致力于发现和探索自然界树木、草本植物等生长过程中独特的物质运输机制，从中获得灵感和启发，创新运用材料表面微尺度操纵技术，发展功能木材、纸、膜及其仿生纳米结构的宏观制备科学及工程技术，探索其对自然界可再生资源（如水分子、二氧化碳等）的高效捕获与转化机制，研究在低碳健康材料、水/空气净化、光学与噪声控制、固态电化学及湿-热电池系统等领域关键应用。目前已在国际高水平权威杂志Energy & Environmental Science, Advanced Materials，Nano Energy, ACS Applied Materials & Interfaces, Advanced Sustainable System等发表高水平 SCI、EI 等期刊收录论文 63 篇，论文引用近1000 次，H-Index 16；申请国家发明专利约50件（已授权近30件）和 1 件 PCT 专利，主持国家、省部级及企业技术开发项目近30项，有多项成果获得规模生产与应用。社会学术兼职或荣誉主要包括：国际VEBLEO协会会士、国际IAAM协会会士、中国复合材料学会高级会员、中国复合材料学会青年工作委员会委员、英国皇家 RSC 会员、美国 ACS 会员、美国 TAPPI 会员等；荣获广东省高等学校“千百十人才工程” 第八批校级培养对象、广东省 “特支计划”科技创新青年拔尖人才（新材料领域）等。（图文/刘德桃课题组）


       文章来源：华南理工大学