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Science:碳管纺纱线,一拉就来电

十几天前,台湾省内闹的沸沸扬扬的“大停电事件”,让“经济部长”李世光先生丢掉了乌纱帽,连台湾地区领导人蔡英文女士也不得不向公众道歉。甚至有台湾媒体哀叹,“搞定台湾不需要导弹,一个电力工程师就够了”、“是时候用爱发电了”“用爱发电”的梗,请自行上网搜索。不谈事件的政治和社会影响,仅事件本身就足以凸显现代社会对电力的依赖。


除了火力发电、水力发电、核能发电、太阳能发电、风能发电等常见的发电方式,科学家们还发展了更多获取电能的方法。比如,你可能听说利用海水和淡水之间渗透压差来发电(Nature, 2016, 536, 197-200,点击阅读相关),你也可能听说过中国科学家利用水蒸发来发电(Nat. Nanotech., 2017, 12, 317-321,点击阅读相关),你还可能听说过佐治亚理工学院王中林院士团队于2006年发明的第一个纳米发电机——压电纳米发电机(Science, 2006, 312, 242-246),以及随后在2012年发明的摩擦纳米发电机(Nano Energy, 2012, 1, 328-334)和热电纳米发电机(Nano Lett., 2012, 12, 2833-2838)。这些工作为电子设备,特别是可穿戴设备、传感器、植入型医疗设备以及微纳米器件的供能指出了新的发展方向。


近日,韩国汉阳大学Seon Jeong Kim教授和德克萨斯大学达拉斯分校Ray H. Baughman教授等人合作在Science 杂志上发表文章,发明出一种“Twistron”发电机,通过碳纳米管纺线,在不需要外部偏置电压的情况下,就可以将拉伸或扭转的机械能转换变成电能

“Twistron”发电机制备过程示意图。图片来源:Science


“Twistron”发电机本质上是一种无需外加电压的电容器,它由很多根碳纳米管纺成,单根碳纳米管是直径为人头发丝万分之一的中空圆柱体,纱线电极的总直径在50~70 μm之间。为了提高纱线的弹性,研究者不断提高纱线的捻度,从而使得纱线呈类似弹簧的螺旋结构。

纺线方法拓扑结构及电化学测试示意图。图片来源:Science


“Twistron”想要发电,还须涂上或浸泡在电解质中。这些电解质中的离子会自动插入到纱线中,当纱线被拉伸或扭转时,纱线上的电荷彼此靠近,电压增高,从而产生电能。实验数据表明,当纱线拉伸30%时,开路电压增加140 mV;当纱线拉伸50%、拉伸频率12 Hz时,输出的峰值功率可以达到179 W/kg。

拉伸强度和频率对“Twistron”电流、电压及峰值功率的影响。图片来源:Science


文章另一亮点是使用压电化学谱法(piezoelectrochemical spectroscopy,PECS)测量纺线电极的零电荷电势(potential of zero charge,PZC)。由于电极和周围电解质之间存在化学势差,而零电荷电势(PZC)可以表征“Twistron”电极的电荷平衡状态,用来研究其电荷状态随形变的变化规律。

压电化学谱法测试“Twistron”电极的电性能。图片来源:Science


研究者设想“Twistron”可以在海浪运动中将动能转化成电能,随后他们进行了简单的尝试,将电极系在气球下端,浸入到海底。每当海浪到来时,气球就会上升,拉伸纱线。研究过程中,海波的频率范围为0.9~1.2 Hz,开路电压可以达到46 mV,平均输出功率1.66 W/kg。

海水中发电的“Twistron”。图片来源:Science


研究者还发现,纱线的电阻影响了“Twistron”发电机的性能。为了解决问题,他们在纱线中加入了一根23 μm粗的铂丝降低电阻,这样纱线拉伸50%、拉伸频率12 Hz的峰值功率就由 179 W/kg上升至250 W/kg。


在实验室里,研究者还测试了一根重量小于苍蝇的Twistron纱线。结果发现,每次被拉伸后,纱线产生的电能可以点亮一个小型LED。他们将“Twistron”缝在纺织品中,用作自供电呼吸传感器,无需额外提供电源。在人体正常呼吸时,随着胸腔的起伏,纱线被拉伸并产生电信号。

视频来源:Science


“这些纱线不能做毛衣,但还好可以发电。”研究者调侃道。该团队对“Twistron”发电机的应用前景很乐观。因为它具有很高的重量功率密度,在不同拉伸强度、在较宽频率范围内,可以实现机械能转化为电能。不过,高质量的碳纳米管成本还非常昂贵,但“看到未来的可能性,就让我非常兴奋。”Baughman教授如是说[1]


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Harvesting electrical energy from carbon nanotube yarn twist

Science, 2017, 357, 773-778, DOI: 10.1126/science.aam8771


参考资料:

1. http://cen.acs.org/articles/95/i35/Coiled-nanotube-yarn-generates-electricity.html


(本文由小希供稿)


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