北京化工大学石峰教授AM：收集环境中的能量用于发电的光响应性功能协同智能器件

【引言】

微传感器和微机电系统被广泛应用于可穿戴电子设备，超灵敏化学-生物传感器，纳米机器人等各个领域。这些小型的电子产品所需能量很小，现如今，电池仍然是首要选择。然而，电池有限的容量及使用寿命无法满足对持续供电的需求。功能协同智能器件，是将多种材料或表面集成到一个器件中，在外界的刺激下，能够有序地完成一系列复杂的任务。近年来，基于“功能协同智能器件”这一概念所制备的迷你发电机，将物体的往复运动与法拉第电磁感应定律相结合，实现了动能到电能的有效转换，为解决上述问题提供了一条新的途径。然而，当前设计出的迷你发电机依赖于过多的人工操作以及有用能源的消耗，如溶液酸碱性的调节、压力的施加/释放等，因此如何收集环境中未被广泛利用的能量，如光能、废热等等，并通过智能器件转换为电能，是目前所面临的挑战。

【成果简介】

近日，北京化工大学石峰教授（通讯作者）团队开发了一种光响应性的功能协同智能器件作为迷你发电机，可以直接收集环境中的太阳光用于器件自身的垂直运动，结合法拉第电磁感应定律实现了机械能向电能的转化，相关成果以“Electricity Generation through Light-Responsive Diving-Surfacing Locomotion of a Functionally Cooperating Smart Device”为题发表在国际顶级期刊Advanced Materials（IF=21.95）上。所制备的功能协同智能器件由三部分组成，上半部分是一个超亲水的方形盒子，用于束缚一定量的气体，下半部分是一个超疏水的圆柱体，一方面用于减少流体阻力，另一方面用于携带圆形小磁铁，磁铁用于产生磁场。当光照射到器件内部时，基于光热效应，器件内部束缚的气体开始膨胀，使器件密度逐渐减小，当小于水的密度时，开始上浮运动；脱离光源后，内部的气体开始收缩，器件密度逐渐增大至初始状态，开始下潜运动。器件往复的垂直运动会带动磁铁相对于铜线圈运动，改变磁通量，从而产生感应电压。研究人员探究了红外光功率对输出电能的影响，发现随着红外光功率的增大，输出电压以及发电效率都是增大的，且在4.2 W下，得到能量转换效率为2.4 × 10^-3 %，输出电压可达到1.7 V，足以驱动5个LED小灯泡发光。进一步地，研究人员对器件的运动寿命进行了考查，发现器件可以在光照下持续运动8小时以上，且输出的电能保持稳定。该论文的共同第一作者为课题组硕士生杨潇和成梦娇副教授。

【图文导读】

图1：光驱动智能器件的制备及红外光下器件的上浮下潜运动

（a）光驱动智能器件的垂直运动示意图；

（b）智能器件的制备过程；

（c-g）红外光下智能器件的上浮下潜运动。

图2：红外光功率对发电过程的影响及长时间下电能的持续稳定输出。

（a）智能器件的发电过程示意图；

（b-f）不同红外光功率下的输出电压-时间曲线；

（g）能量转换效率与红外光功率之间的关系；

（h）长时间下（30,000 秒）的输出电压-时间曲线。

 图3：输出电能的应用及太阳光下器件的上浮下潜运动

（a-b）该器件的输出电压能够驱动5个LED小灯泡发光；

（c-g）太阳光下智能器件的上浮下潜运动；

（h-i）不同太阳光功率下的输出电压-时间曲线。

【小结】

在本文中，基于“功能协同智能器件”这一概念，研究人员设计并制备了一种具有光响应性的迷你发电机，可以直接从环境中收集光能，并结合法拉第电磁感应定律，实现光能到动能再到电能的转换，通过对器件的运动寿命进行考察，实现了至少8小时以上的持续稳定的电能输出。这一研究结果提供了一种绿色、可持续的能量转换策略，推动了“功能协同智能器件”这一概念的发展，为智能材料和材料科学的研究提供了一种新的思路。

【未来展望】

世界经济的快速发展使能源消耗量急剧增加，能源供需矛盾日益突出，并造成了严重的环境问题。研究人员发现，太阳能电池板吸收的太阳能绝大多数转化为电池板的热能。如果能把产生的废热有效地利用起来，既可以降低电池板的温度，提高光伏转换效率，同时还可以提高系统的综合能量利用效率；此外，大型发电厂等排放出的大量废热很多情况下也并没有得到有效地利用，不仅造成了能源的浪费，还给环境带来不良影响。因此实现废热的回收和有效再利用，是节约能源降低能耗的一个有效途径。为此，研究人员设想在未来的研究工作中，设计出一种热响应性的功能协同智能器件，充分利用太阳能电池板或发电厂等释放到环境中的废热，使其与太阳能板或发电厂联合供电。该方案不仅可以实现废弃能源的有效再利用，同时可以提高太阳能电池板的效率以及发电厂的经济收益，具有广泛的发展前景。

 文献链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201803125（Electricity Generation through Light-Responsive Diving-Surfacing Locomotion of a Functionally Cooperating Smart Device. Adv. Mater. 2018, DOI: 10.1002/adma.201803125）

本文由material-1219供稿，材料牛整理编辑。

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱tougao@cailiaoren.com。

投稿及内容合作请加微信cailiaokefu。