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Adv Mater:水蒸发产生电能?MOF基材料告诉你

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Adv Mater:水蒸发产生电能?MOF基材料告诉你

 研究背景 

对传统化石燃料的过度开发,导致气候变化和环境污染的全球挑战。利用非传统和绿色能源的清洁能源,对人类社会的可持续发展至关重要。最近,从环境中自然自发的过程中收集电能,如频繁的运动、湿度变化和海浪等,引起了巨大的研究兴趣。水分蒸发是一种自然和自发的现象,在环境条件下不断发生。有研究发现,自然水分蒸发可以在多孔炭黑薄膜上,可以产生连续的电能输出。然而,这一研究领域仍处于起步阶段,只有少数材料,包括碳基材料和几种金属氧化物,已被证明具有这种能力。

蒸发诱导发电的机理被认为与电动效应有关。有人提出,当水分子通过带电荷表面的材料形成的窄毛细管通道时,会增加其压力,毛细管通道内电双层(EDL)具有相反电荷的反离子可以与水分子一起运动,从而产生电势和电流。基于这一机制,适合于这种新的能量收集过程的材料具有两个重要特征。首先,毛细管通道可以由材料制备形成,因此水分子可以在蒸发过程驱动的通道中移动。第二,材料表面具有较高的Zeta电位,导致EDLs内的反离子浓度较高。金属-有机骨架(MOFs)是以其高孔隙率、大表面积和可调谐物理化学性质为特征的新兴材料。通过对MOF晶体的结构和形貌进行改变,可以精确地调节其表面性能,使其成为催化析氢、电池、和超级电容器等各种与能量相关的应用的理想候选材料。MOF基材料在从环境环境中收集清洁能源方面显示出很有前途的应用。

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成果简介

近日,香港城市大学张华教授道了MOF基杂化纳米材料,可从水蒸发中收集电能,该文以“Rational Design of MOF-Based Hybrid Nanomaterials for Directly Harvesting Electric Energy from Water Evaporation”为题发表在Advanced Materials期刊上。清洁能源技术的不断探索对社会的可持续发展至关重要,从水蒸发中收集电能的工作,对利用清洁能源具有深远意义。作者通过在2D AlOOH纳米片上生长UIO-66纳米粒子,精心设计合成了一种新型的金属-有机骨架基杂化纳米材料。由于从AlOOH纳米粒子继承的2D形貌和来源于UIO-66纳米粒子的高表面电位的结合优点,由AlOOH/UIO-66杂化纳米材料制成的器件,可以从自然水分蒸发中获得电能。在混合纳米材料制成的原型器件上,可以达到1.63±0.10 V的开路电压。

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图文导读

作者首先用尿素辅助水热法合成AlOOH纳米片,将得到的AlOOH纳米片作为模板,以乙酸为调制剂,采用溶剂热法生长UIO-66纳米粒子。AlOOH/UIO-66可以形成由许多具有高电荷通道壁的毛细管通道组成的薄膜。SEM图像显示了合成的AlOOH纳米片的2D形貌,纳米片的厚度为20.7±3.4 nm (图1a)。TEM进一步证实了AlOOH纳米片的2D形貌(图1b)。HRTEM图像清楚地显示了间隙为0.19 nm的晶格条纹,对应于AlOOH的(002)晶面,相应的快速傅里叶变换(FFT)模式表明,AlOOH纳米片的基面是(020)面(图1c)。XRD图谱证实了AlOOH纳米片处于薄铝石相中(标准卡片JCPDS 05–0190)(图1d)。UIO-66纳米晶的尺寸约为600 nm,大于生长在AlOOH纳米片上的UIO-66纳米粒子(如图1e所示)。EDS结果表明Al和Zr元素均匀分布在杂化纳米材料中 (图1f-h)。

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图1 杂化纳米粒子的结构表征

AlOOH纳米片的a. SEM, b. TEM与c. HRTEM;d. AlOOH/UIO-66杂化纳米粒子的d. XRD与e. SEM; AlOOH/UIO-66杂化纳米粒子暗场 f. TEM, g. Al元素分布与h. Zr元素分布图。

制备了一种由AlOOH/UIO-66杂化纳米材料制成的双端装置,用于从水蒸发中获取电能。设备制造过程在图2a中示意性地说明,聚碳酸酯片被切割成合适的尺寸并用作支撑基板。图2b显示了典型设备的照片。该装置的开路电压(Voc)和短路电流(Isc)是在将该装置垂直浸入水箱中,其底部电极仅低于水位后,由源测量单元测量的(图2c)。对于典型的单个设备(如图2b所示),在顶部和底部电极之间可以检测到平均约1.63 V的Voc(图2d),这是水蒸发诱导电压的最佳报道值之一。为了确定电能的产生是由水蒸发驱动的,组装了一个实验系统,即装置和蓄水池,覆盖一个塑料盖。如图2e所示,在实验系统被覆盖后,水蒸气在其内部积聚,抑制了水分蒸发速率。因此,该装置的Voc从1.60逐渐下降到0.41 V,在盖子被移除后,水分蒸发开始恢复,Voc逐渐增加,最终恢复到约1.60 V,实验系统的周期性覆盖和揭开可以诱导Voc的周期性变化,说明电能产生的驱动力确实是水分蒸发。

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图2 装置进行水蒸发收集电能实验

a.装置制造工艺示意图 b. AlOOH/UIO-66制备装置图  c.蓄水池水蒸发收集电能示意图 d. AlOOH/UIO-66装置的Voc e.周期性响应性Voc变化

以前的研究提出,水蒸发产生的电能的来源可以归因于电动效应,即当水分子通过带电荷表面的材料形成的毛细管通道时,EDLs中的反离子可以集体地向水的运动方向移动,产生电势。在本工作中,作者认为AlOOH/UIO-66杂化纳米材料的2D形貌和高表面电位是电能收集过程的关键。首先,AlOOH/UIO-66的二维形貌继承于AlOOH纳米片,促进了它们在基面上的优先堆积,形成了许多狭窄的毛细管通道(图3a)。设备中AlOOH/UIO-66薄膜的SEM图像证实了AlOOH/UIO-66的优先叠加(图3b)。AlOOH/UIO-66薄膜截面的SEM图像清楚地显示了与蒸发驱动的水运动方向平行的许多毛细管通道(图3c)。第二,AlOOH/UIO-66具有较高的表面电位,这是由Zeta电位测量(图3d)证实的,从而形成了高浓度反离子的EDLs。AlOOH/UIO-66的正电荷表面主要来源于表面生长的UIO-66纳米粒子的结构缺陷。因此,当水分子通过水分蒸发驱动的毛细管通道时,带负电荷的OH离子的集体运动,导致底部电极上的高电势和顶部电极上的低电势。为了进一步验证2D形貌和高表面电位在从水蒸发中获取电能方面的协同作用的重要性,在由2D AlOOH纳米片和UIO-66纳米晶体制成的器件上进行了控制实验,它们只能分别产生约1.09和0.70 V的平均Voc(图3e)。这些结果进一步证实了AlOOH/UIO-66杂化纳米材料的2D形貌与高表面电位之间的协同作用在从水蒸发中方面的重要性。在这里,器件通道长度(表示为L)和器件通道宽度(表示为W)是根据典型双端器件的共同惯例定义的,其中L是顶部电极和底部电极之间的距离,W是AlOOH/UIO-66薄膜的宽度(图3f)。如果W固定在4 cm,当l从1 cm增加到2 cm时,平均Voc和Isc分别从约0.18 V和约144 nA增加到约1.13 V和427 nA(图3g),这可能是由于当l变长时水蒸发速率更快所致。当L从2 cm进一步增加到5 cm时,Voc达到平均约1.67 V平台,而Isc下降,最终达到可忽略值(图3g)。

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图3 水蒸发产生电能的机理研究

a.水蒸发机理 b. AlOOH/UIO-66薄膜SEM c. AlOOH/UIO-66薄膜截面SEM d. Zeta电位 e. Voc比较 f. 装置长宽示意图 g. 不同长度装置的Voc h.不同宽度装置的Voc

与商用电池相同,通过分别串联或并联连接多个设备,可以提高设备的电压和电流输出。对于一个2 cm(L)×5 cm(W)的单独设备和几个以不同配置连接的单独设备,Voc和Isc(图4a)。Voc随着串联连接的设备数量的增加而增加,Isc随着并联连接的设备数量的增加而增加。因此,一个由9个单独的设备组成的阵列,连接在一个3×3的组合串并联配置(图4b)中,可以产生约3.39 V的总Voc和1500 nA的总Isc(图4a)。作为概念应用的证明,只使用蒸发过程产生的电能,3×3设备阵列可以为计算器供电(图4c)。

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图4 装置对计算器供电性能展示

a.不同串联并联装置的Voc、Isc b.3×3阵列装置示意图 c.供电计算器 

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 小  结 

作者精心设计和合成了一种新型的2D AlOOH/UIO-66杂化纳米材料。由于2D形貌与高表面电位的协同作用,由AlOOH/UIO-66制成的装置可以从自然水分蒸发中获得电能。在一个单独的设备上可以实现1.63±0.10V的平均Voc。小型电器,如数字计算器,可以由一个3×3设备阵列连接在一个组合的串联并行配置。这项工作将激发更多的研究兴趣,以MOF为基础的材料,用于环境中清洁能源的收集。

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文献信息

Rational Design of MOF-Based Hybrid Nanomaterials for Directly Harvesting Electric Energy from Water Evaporation. (Adv. Mater ., 2020, DOI:10.1002/adma.202003720)

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202003720

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