中国海洋大学唐群委Nano Energy: 自供电PEDOT及衍生物单电极捕获雨能

【引言】

如何解决能源危机与环境污染问题是人类正面临的两大挑战，开发新能源和可再生的清洁能源已成为全球范围内的重大战略性选择。太阳能因具有清洁、资源丰富及永不枯竭等优势而成为理想的替代能源之一。越来越多的国家开始实行“阳光计划”——高效开发利用太阳能资源，寻求“低碳经济”发展的新动力。利用太阳能最直接有效的方式之一是光伏转换，即将太阳能直接转换为电能而供人类使用。然而，太阳能电池存在“无光不生电”的弊端，尤其针对雨量丰富(年降雨量>30%)的东南亚及南美地区，光伏发电更加成为极具挑战性的难题。因此，开发捕获雨能的能量转换器件使之与太阳能电池互为补充，已成为实现能量输出最大化的有效方式之一。

【成果简介】

2017年9月22日，来自中国海洋大学材料科学与工程学院的唐群委教授(通讯作者)团队在Nano Energy杂志报道了以“Self-powered PEDOT and derivate monoelectrodes to harvest rain energy”为题的捕获雨能的单电极技术。该成果采用成本低廉、易于制备的PEDOT, PEDOT-graphene, PEDOT-graphene/PtCo电极材料，降雨过程中，雨滴滴落到单电极表面，雨滴中的阳离子与电极表面的富集电子吸附形成双电层赝电容；雨滴的铺展和收缩过程实现了赝电容的充放电，从而输出电流和电压。实验阶段，采用0.6 M NaCl水溶液作为模拟雨水，自供电单电极材料可产生最大电流为4.41 μA/液滴和最大电压为136.66 μV/液滴，并实现了实验阶段的稳定性和耐久性。此外，研究还展示了此器件在实际雨天中的应用，采用青岛地区的雨水，测试自供电单电极材料的电流为0.23 µA/液滴，电压为29.90 µV/液滴。

【图文导读】

图1.自供电单电极捕获雨能的机理示意图

基本结构：在导电基体上沉积电极材料，并外接两根铜基电极收集电信号。

(a) 雨滴带有正电荷离子，电极材料富含电子；

(b) 当雨滴滴落至电极表面时，雨滴中的阳离子吸附电极材料中的电子形成双电层赝电容，雨滴的快速铺展实现了赝电容的充电过程；

(c) 当雨滴铺展到一定程度后收缩，电子解吸附释放出电子，实现了赝电容的放电过程；

(d) 伴随着雨滴的不断滴落，铺展/收缩状态反复进行，从而实现赝电容的循环充/放电过程。

图2.不同自供电单电极材料对电信号性能的影响

单电极材料：PEDOT、PEDOT-graphene、PEDOT-graphene/PtCo

制备方法：恒压法；

模拟雨水：0.6 M NaCl水溶液；

雨滴滴速：40 mL h^-1。

(a) 电流、(b) 电压、(c) 功率信号对比图。

图3.不同阳离子浓度对电信号性能的影响

单电极材料：PEDOT、PEDOT-graphene、PEDOT-graphene/PtCo；

制备方法：恒压法；

模拟雨水：0.2 M、0.6 M、1.0 M的NaCl溶液；

雨滴滴速：40 mL h^-1。

(a) 电流、电压、功率信号变化趋势图。细节如下：

PEDOT：(b) 电流、(c) 电压、(d) 功率信号对比图；

PEDOT-graphene：(e) 电流、(f) 电压、(g) 功率信号对比图；

PEDOT-graphene/PtCo：(h) 电流、(i) 电压、(j) 功率信号对比图。

图4.电信号的长期稳定性测试

单电极材料：PEDOT-graphene/PtCo；

制备方法：恒压法；

模拟雨水：0.6 M NaCl水溶液；

滴速：40 mL h^-1。

(a) 电流、(b) 电压信号稳定性测试图；

(c) 电流、(d) 电压信号输出变化趋势图。

图5.模拟雨水成分对电信号性能的影响

单电极材料：PEDOT-graphene/PtCo；

制备方法：恒压法；

模拟雨水成分：0.6 M HCl、0.6 M LiCl、0.6 M NaCl、0.6 M KCl、0.6 M NH₄Cl、0.6 M MgCl₂水溶液；

滴速：40 mL h^-1。

(a) 电流、(b) 电压、(c) 功率信号对比图。

图6.真实雨水对电信号性能的影响

单电极材料：PEDOT-graphene/PtCo；

制备方法：恒压法；

真实雨水：青岛降雨；

滴速：40 mL h^-1。

(a) 电流、电压、功率信号测试图；

(b) 电流、(c) 电压信号稳定性测试图；

(d) 电流、(e) 电压信号输出变化趋势图。

【小结】

唐群委教授团队基于双电层赝电容的充/放电原理，巧妙的设计了一种可用于捕获雨能的自供电单电极，并对器件的发电性能进行了系统研究，并且探讨了不同制备方法、材料、成分、含量等对电信号产生的影响。进而将最优化器件用于真实环境中，实现了其在真实降雨天气的应用。这也为未来的新能源开发开辟了一个有前景的方向。

全文链接：Self-powered PEDOT and derivate monoelectrodes to harvest rain energy（Nano Energy,2017,DOI:10.1016/j.nanoen.2017.09.007）

本文由中国海洋大学唐群委老师投稿，材料人整理编辑。

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