近十年來(lái),隨著(zhù)智能柔性可穿戴設備在醫療健康監護、人機融合、人工智能等領(lǐng)域的廣泛應用,柔性電子技術(shù)向智能化、集成化、多功能化的方向快速發(fā)展。盡管柔性電子器件在降低功耗方面取得了重要進(jìn)展,但能源的供給和消耗依然是柔性電子發(fā)展最關(guān)鍵的限制因素,研究開(kāi)發(fā)基于新型能源高效采集的自主式供電柔性傳感器成為柔性智能電子的重要研究方向。
眾所周知,地球表面70%以上都被天然水體覆蓋,是含量最豐富的資源之一。無(wú)論地理位置或環(huán)境條件如何改變,天然水都可以通過(guò)吸收熱能而自發(fā)地流動(dòng)和蒸發(fā)。通過(guò)納米結構與水的流動(dòng)、波動(dòng)、滴落和蒸發(fā)直接相互作用來(lái)發(fā)電的能量轉換效應,被稱(chēng)為水伏效應(hydrovoltaic effect),這種效應為解決柔性傳感系統的能源可持續供給提供了新思路。然而,如何在變形條件下實(shí)現穩定發(fā)電和高輸出功率,并實(shí)現輕量化、柔性化可穿戴傳感微系統依然面臨很多挑戰。
針對上述挑戰,中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張珽團隊通過(guò)水源形態(tài)以及器件結構設計,制備了一種具有優(yōu)秀的便攜性、柔性和穩定性的水伏發(fā)電機,并作為柔性電子器件能源供給平臺構建了柔性可穿戴自供能傳感系統。通過(guò)采用聚乙烯醇(PVA)將功能化碳納米顆粒(FCB)綁定到三維海綿骨架 (3DS)上,并進(jìn)一步將得到的PVA@FCB@3DS薄膜與固體高吸水性水凝膠共組裝,構建了HPG?;跇嫿ǖ腜VA@FCB@3DS薄膜上的具有交疊雙電層(EDL)納米通道,HPG可以利用水的自發(fā)蒸發(fā)將周?chē)臒崃窟B續轉換為電能,而無(wú)需任何外部能量供應,其Voc和Isc分別達到0.658 V和63 μA。此外,柔性HPG可以在較大范圍的彎曲應變的狀態(tài)下,保持穩定的產(chǎn)電性能。該便柔性攜式水蒸發(fā)驅動(dòng)的HPG突破了之前水伏發(fā)電機固定水槽的束縛,可以作為柔性可穿戴電子設備的柔性電源平臺用于器件的能量供給,推動(dòng)了水伏發(fā)電技術(shù)的器件形式和應用領(lǐng)域的進(jìn)步。
以上相關(guān)成果發(fā)表在Nano Energy上(DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.104663)。論文第一作者是蘇州納米所博士生李連輝,通訊作者為研究員張珽。