Forskare letar efter sätt att använda den lågvärdiga energin som är utbredd i naturliga miljöer för att generera elektricitet. Ett forskarlag har skapat en kraftgenerator som samlar upp den naturliga luftfuktigheten och producerar kontinuerliga elektriska signaler. Detta är den första fuktgeneratorn designad med ett material i nanostorlek som kallas polyoxometalater. Det har potentialen att bli en ny forskningsinriktning för polyoxometalater inom hållbart utnyttjande av lågvärdig energi.
Teamets arbete publiceras i Nano Research .
Teamet satte sig för att lösa problemet med diskontinuiteten i driften av energiomvandlingsanordningar. De försökte ta itu med bristen på energiproduktionsmaterial med luftfuktighet och den begränsade designbara prestandan hos material. "Vi ville förstå omvandlingsprocessen av atmosfärisk luftfuktighetsenergi till elektrisk energi och rollen av polyoxometalater i kraftgenereringen av atmosfärisk luftfuktighet", säger Weilin Chen, professor vid Institutionen för kemi vid Northeast Normal University.
Polyoxometalater, kända som POM, har speciell morfologi och funktionella egenskaper, vilket gör dem mycket användbara i kontrollerbar syntes, montering och prestandaforskning. De är en mångsidig klass av oorganiska molekylära material. POM nanomaterial kan självmontera för att bilda mikroporösa strukturer som kan samla upp luftfuktighet.
De är också miljövänliga, med stor stabilitet i ljus, värme och kemiska miljöer. Forskare förväntar sig att POM-nanomaterial är de material som har potential att effektivt utnyttja luftfuktigheten.
Teamet konstruerade POM till organiska ammonium-polyoxoanjonkluster. Klustren sattes ihop till kraftgeneratorer med tunna filmer med små porer i nanostorlek som kallas mikroporer, som kan arbeta i luftfuktighet. Deras lilla POM-generator producerade en spänning på 0,68 V, var stabil och arbetade kontinuerligt under nästan helt naturliga miljöer, med luftfuktighet från 10 procent till 90 procent.
POM-luftfuktighetsgeneratorn fungerar eftersom POM-nanoklustren spontant absorberar luftfuktighet med mikroporerna i POM-nanowire-filmer. De bildar en distributionsgradient av vatten som är den strukturella grunden för kraftgenerering. POM-generatorn har visat sig ha hög stabilitet och kontinuerlig kraftgenereringsprestanda.
Teamet fastställde att POM-kraftgeneratorn effektivt kan samla den naturliga luftfuktigheten och producera kontinuerliga elektriska signaler genom den ojämna fördelningen och riktningsrörelsen av joner. Detta arbete ger nya idéer för kontinuerlig användning av lågvärdig energi och en ny forskningsvinkel för polyoxometalatkemi.
Det har funnits ett akut behov av att utveckla en kontinuerlig lågvärdig energi i en naturlig miljö. I tidigare forskning har forskare skapat enheter som samlar in och använder lågvärdig energi. Men dessa enheter har begränsats eftersom lågvärdig energi är intermittent och instabil. Under de senaste åren har forskare gjort framsteg i sin användning av luftfuktighetsenergi. Men lagets POM-generator är den första luftfuktighetsgeneratorn som producerar kontinuerlig ström.
Denna POM-generator har många potentiella tillämpningar, såsom detektering av mänskliga andningsprocesser; detektering, registrering och larm av omgivningsfuktighet; integration med elektriska apparater för att uppnå kontinuerlig strömförsörjning av utrustning; och möta elbehovet i flera scenarier.
"Det viktigaste budskapet är att kontinuerlig kraftgenerering med luftfuktighet har uppnåtts genom design och modifiering av POMs nanomaterial, och mekanismen för energigenerering med atmosfärisk luftfuktighet har blivit djupt förstått genom att använda egenskaperna hos POMs nanomaterial", säger Chen.
När vi blickar framåt hoppas teamet kunna förbättra effektiviteten av energigenerering med atmosfärisk luftfuktighet genom att screena och optimera material. De vill uppnå en djupare förståelse för energigenereringsprocessen för atmosfärisk luftfuktighet.
"Det slutliga målet är att uppnå en effektiv användning av fuktgeneratorer för att främja hållbar utveckling av energi och miljö genom att utforska mekanismen som optimerar effektiviteten hos fuktgeneratorn", säger Chen.
Mer information: Tuo Ji et al, Polyoxometalates för kontinuerlig kraftgenerering genom luftfuktighet, Nano Research (2023). DOI:10.1007/s12274-023-5959-5
Journalinformation: Nanoforskning
Tillhandahålls av Tsinghua University Press
