新型摩擦纳米发电机:可利用降雪发电!

IntelligentThin 2019-04-16 20:47

导读


据美国加州大学洛杉矶分校官网近日报道,该校研究人员设计出一款可利用降雪发电的新型柔性设备。


背景


摩擦起电,是我们日常生活中常见的一种物理现象。两个不同物体相互摩擦后,一个带正电,另一个带负电。大部分的日常静电现象都是由摩擦引起的,例如在干燥的秋冬季节,晚上我们脱毛衣时会发现一些小火花,并伴有“啪啪”的响声。


长期以来,静电的负面作用被广泛地宣传和提防,而其正面作用往往被忽略。原因主要是,虽然摩擦起电现象非常普遍,几乎随时随地都能产生,但是却很难被收集和利用。


但是,一种新型设备有望改变上述状况,它就是:摩擦纳米发电机(TENG)



在其内部电路中,由于摩擦起电效应,在两个摩擦电极性不同的材料薄层之间,电荷会发生转移,在二者之间形成电势差;在其外部电路中,电子在电势差的驱动下,在粘贴于摩擦电材料层背面的两个电极之间,或者电极与地之间流动,来平衡这个电势差。


超轻、菱形剪纸式样的摩擦纳米发电机(图片来源:美国化学会)


集成摩擦纳米发电机的小型金属标签贴在手指上(图片来源:《纳米能源》


集成摩擦纳米发电机和微型电化学电容的设备(图片来源:KAUST


未来,摩擦纳米发电机将有着广泛的用途,比如利用人体运动的能量为可穿戴设备、智能硬件、便携式医疗电子器件等产品供电,让我们无需再为电池电量耗尽或者找不到充电器而发愁。例如,在鞋子中安装摩擦电发电机,我们就可以通过正常行走,为自己随身携带的手机充电。


创新


今天,笔者要再为大家介绍一项有关摩擦纳米发电机的创新成果。


近日,美国加州大学洛杉矶分校(UCLA)的研究人员以及同事们设计出一款可利用降雪发电的新设备。首开先河,该设备便宜、小、薄且像塑料片一样具有柔性。


UCLA 材料创新奖得主、相关论文高级作者理查德·卡纳尔(Richard Kaner)表示:“该设备可工作在偏远地区,因为它是自供电的,无需电池。这是一个非常聪明的设备,它可以作为一个气象站,告诉你降雪量、降雪的方向、风向和风速。”


(图片来源:参考资料【1】)


研究人员称之为“雪基摩擦纳米发电机”或者简称为“雪TENG”。摩擦纳米发电机,可以通过静电产生电荷,从电子交换中产生能量。有关该设备的研究成果发表在《纳米能源(Nano Energy)》期刊上。


技术


卡纳尔,也是UCLA化学与生物化学系、材料科学与工程系的杰出教授、加利福尼亚纳米系统研究所的成员。他说:“一种材料获得电子,另一种材料失去电子,两种材料之间的相互作用就产生了静电。你分开这些电荷,就可以从无到有地创造出电力。”


雪,带正电,失去电子。硅树脂,一种由硅原子、氧原子以及碳原子、氢原子以及其他元素组成的,类似橡胶的合成材料,带负电。当降雪与硅树脂表面接触时,就会产生一个电荷。该设备会获取这个电荷来发电。


UCLA 化学与生物化学系博士后研究员、论文合著者马厄·卡迪(Maher El-Kady)表示:“雪已经是带电的,所以我们思考,为什么不采用另一种带负电的材料获得电荷发电?“


他补充道:“因为雪会失去电子,所以设备的性能取决于其他材料获得这些电子的效率。在测试大量材料,包括铝箔和特氟龙之后,我们发现硅树脂比其他材料产生的电荷更多。“


研究团队采用3D打印技术设计了该设备。它具有一层硅树脂和一个电极,以捕捉电荷。团队相信,该设备可低成本制造,因为卡纳尔表示:“制造工艺简单且硅树脂容易获取。”硅树脂在工业中广泛使用,例如在润滑剂、电线绝缘和生物医学植入物等产品中。现在,它有望应用于能量采集。


价值


每年冬天,地球表面大约有30%的区域覆盖着雪。马厄·卡迪指出,在此期间,太阳能面板经常无法工作。雪的累积,减少了可以到达太阳能阵列的光线量,限制了面板的功率输出,致使它们的效率降低。这种新型设备可集成到太阳能面板中,在下雪时提供持续的电力供应。


卡纳尔表示,该设备可用于监测冬季运动,例如滑雪,更精准地评估和改善运动员在奔跑、行走和跳跃时的表现。它也有望用于识别越野滑雪中使用的主要运动型式,而智能手表是无法检测到这些运动型式的。


粘贴着该设备的鞋子(图片来源: Abdelsalam Ahmed)


它将开创新一代的“自供电”可穿戴设备,这些设备将可以追踪运动员以及他们的表现。它也可以发出表示一个人运动与否的信号,并判断出一个人是在行走、运动、跳跃或是行进。



关键字


摩擦纳米发电机、自供电、可穿戴技术


参考资料


【1】Abdelsalam Ahmed, Islam Hassan, Islam M. Mosa, Esraa Elsanadidy, Gayatri S. Phadke, Maher F. El-Kady, James F. Rusling, Ponnambalam Ravi Selvaganapathy, Richard B. Kaner. All printable snow-based triboelectric nanogenerator. Nano Energy, 2019; 60: 17 DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.03.032

【2】http://newsroom.ucla.edu/releases/best-in-snow-new-scientific-device-creates-electricity-from-snowfall




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