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Nano Energy | 基于Bi2S3/Pd的集成多功能器件:热局域通道用于高效光热蒸发以及实时健康监测

淡水资源紧缺已成为迫在眉睫的能源问题,新型界面太阳能蒸汽转换和差热发电作为一种可持续且环境友好的技术,在解决全球淡水短缺和能源危机方面具有巨大的潜力。高效的光热材料不仅可以将太阳能尽可能多地转化成热能,还可以通过温差发电进一步将热能转化为电能,为小型用电设备提供轻便、清洁、可持续供应的电源。以此同时,随着社会的进步以及科技的发展,人们对于健康管理的要求越来越高,通过柔性可穿戴传感器的实时监测,可以实现对人体健康状况的个人智能实时管理。基于能源转换和健康监测等多重需求,越来越多的科研工作者对集多功能于一体的器件制备倾注了极大的关注度。因此,集成化设计和精控制备器件级的多功能复合材料,实现高效光热转换、高灵敏度生理监测、自供能器件,成为当下能源研究热点。


云南大学材料与能源学院、云南省微纳材料与技术重点实验室万艳芬、杨鹏团队制备了由纳米贵金属、半导体组成的纳米复合材料Bi2S3/Pd,由于两种材料之间的协同效应和良好的电荷转移通道,大大提高了材料的太阳能光蒸汽转换效率,并用于温差发电以及人体指关节健康状况的实时监测,实现了多功能集成化器件的设计与制备。研究成果在国际著名材料类期刊Nano Energy 上在线发表,文章第一作者是云南大学材料与能源学院硕士研究生耿学敏、张大东郑泽民,通讯作者为万艳芬杨鹏副教授,该研究得到了国家自然科学基金、云南省应用基础研究项目、云南大学高层次引进人才经费的支持。

图1. 基于Bi2S3/Pd的集成多功能设备示意图


图2.(a)Bi2S3空心纳米球的TEM图; (b)Bi2S3纳米棒的SEM图; (c)Bi2S3 蒲公英状纳米丝球的SEM图; (d)Pd纳米球的TEM图; (e)Bi2S3/Pd复合材料的TEM图和(f)HRTEM图。


图3.(a)Bi2S3/Pd复合材料的SEM;(b)Bi2S3/Pd复合材料的元素分布图; (c-f)分别为Bi,S,Pd和O的元素分布图。所有比例尺均为10 μm。


图4.(a-c)Bi2S3/Pd复合材料的XPS曲线; Bi2S3 蒲公英状纳米丝球Bi2S3/Pd复合材料的(d)反射光谱,(e)透射光谱,(f)紫外光谱。插入图是Bi2S3 蒲公英状纳米丝球和Bi2S3/Pd复合材料的禁带宽度。


图5. 不同形貌Bi2S3Bi2S3/Pd复合材料的(a)质量变化和(b)蒸发速率;(c)不同形貌Bi2S3Bi2S3/Pd复合材料的水蒸发速率和光热转化效率对比图;(d)不同形貌Bi2S3Bi2S3/Pd复合材料的表面温度;Bi2S3蒲公英状纳米丝球在不同负载量的(e)质量变化和(f)蒸发速率。


图6. 经Bi2S3/Pd复合材料净化前后(a)模拟海水中Na、Mg、Ca和K离子浓度;(b)废水中Cr、Cu、Zn和Pb离子的去除率;(c)不同浓度H2SO4溶液的H+浓度,相应浓度分别为1 mol / L、2 mol / L、4 mol / L和6 mol / L;(d)不同浓度NaOH溶液的OH-浓度,相应浓度分别为1 mol / L、2 mol / L、4 mol / L和6 mol / L。

图7. Bi2S3/Pd复合材料应用于太阳能光热转化的机理示意图。


图8. 一个测试周期内STEG(太阳能温差发电片)和Bi2S3/Pd STEG的温差发电片的(a)开路电压Voc和(b)短路电流Isc;Bi2S3/Pd STEG多个循环的稳定性测试(c)Voc和(d)Isc;(e)具有不同外部负载电阻的Bi2S3/Pd STEG器件的输出电压和电流的变化以及(f)输出功率。


图9. (a)PAAH(聚丙烯酰胺/聚丙烯酸水凝胶)的实物照片(左)和Bi2S3/Pd PAAH(右);(b)PAAH和(c)Bi2S3/ Pd PAAH的SEM图;(d)Bi2S3/Pd PAAH的元素分布图。


图10. Bi2S3/Pd PAAH的电压响应信号,对应于不同的外界刺激(a)在1个太阳光照射下;(b)扭转270°,以及分别被女孩和男孩的手指按压;(c)不同长度的拉伸(0.5 cm,1.0 cm和1.5 cm);(d)指关节迅速弯曲和恢复;(e)学生A和B在前3个循环中指关节弯曲45°,随后的3个循环中弯曲90°,而学生C在所有循环中弯曲均为45°;(f)在前4个循环中,学生A和B弯曲并保持10秒后,关节快速恢复至伸直状态,而在最后3个周期中,屈指关节缓慢恢复至伸直状态,而学生C在所有循环中均弯曲指关节10秒并迅速恢复至伸直状态。


总结


基于多功能集成化器件的实际需求,万艳芬、杨鹏团队制备了一种具有优异光热转换性能的复合材料(等离激元Pd纳米球与蒲公英状Bi2S3丝球的复合材料),在一个太阳光辐照下,其吸光率高达95%,光热转化效率达97%,蒸发速率为1.61 kg m-2 h-1,金属离子去除率约100%。并且基于 Bi2S3/Pd复合材料的温差发电器件,其输出功率为70.75 μW cm-2。此外,Bi2S3/Pd PAAH(聚丙烯酰胺/聚丙烯酸水凝胶)表现出了出色的可塑性、弹性以及稳定的应变-电压响应,显示了高灵敏度的传感能力,可实时监测人体肌肉力量和关节健康状况。该工作制备了集合太阳能蒸汽转换,温差发电和可穿戴传感的器件级多功能集成系统。在飞速发展的物联网时代,该研究为自供能的多功能集成设备提供了新的设计思路和启发。


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Integrated multifunctional device based on Bi2S3/Pd: Localized heat channeling for efficient photothermic vaporization and real-time health monitoring

Xuemin Geng1, Dadong Zhang1, Zemin Zheng1, Guomin Ye, Simin Li, Hongyu Tu, Yanfen Wan*, Peng Yang*

Nano Energy, 2021, 82, 105700, DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.105700


导师介绍

杨鹏

https://www.x-mol.com/university/faculty/53036

万艳芬

https://www.x-mol.com/university/faculty/53045

课题组链接

http://www.goldteam.ynu.edu.cn


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