【摘 要】
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我国明确提出要在2030年实现碳达峰及在2060年实现碳中和的战略目标,开发可持续的清洁能源对于我国实现低碳经济和碳中和事业具有重要的现实意义和战略价值。复杂多变的自然与工业环境往往难以开展单一的能源转换,很可能会同时存在多元化的能源转化机制。因此,依靠自然界广泛存在的湿气和工业余热进行能源捕集已引起国内外研究者的广泛关注,成为当前清洁能源领域研究的前沿和热点。因此,本论文以具有分级多孔结构的柔性
【基金项目】
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广东省自然科学基金面上项目(No.2020A1515011013); 广东省科技厅粤港创新领域合作专项(No.2020A050515004)
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我国明确提出要在2030年实现碳达峰及在2060年实现碳中和的战略目标,开发可持续的清洁能源对于我国实现低碳经济和碳中和事业具有重要的现实意义和战略价值。复杂多变的自然与工业环境往往难以开展单一的能源转换,很可能会同时存在多元化的能源转化机制。因此,依靠自然界广泛存在的湿气和工业余热进行能源捕集已引起国内外研究者的广泛关注,成为当前清洁能源领域研究的前沿和热点。因此,本论文以具有分级多孔结构的柔性纸材料为基底,以无机碲化铋(Bi2Te3)、PEDOT:PSS及甘油、碳纳米管等为原材料,通过丝网印刷的方式制备了柔性湿热发电器件。具体研究内容如下:(1)充分利用无机半导体Bi2Te3以及有机半导体PEDOT:PSS的热电材料优势,通过掺杂碳纳米管以提升其电子导电性能,同时加入甘油作为PEDOT:PSS的功能改良剂,并能显著提升吸湿性能,制备湿热导电油墨,采用丝网印刷工艺将其涂布在纸基材料上制备成湿热发电器件。研究表明:与玻璃和PET薄膜等衬底相比,以绝热性能优良的多孔性纸材料(如滤纸)作为纸基衬底,可获得优异的湿热发电性能,并具有很好的柔性和耐折性能。(2)将n型和p型湿热导电油墨采用丝网印刷的方式涂布在纸衬底上印刷出p极腿和n极腿,以银电浆为电极材料制成湿气发电器件,可获得优异的湿气发电性能。经研究发现:湿气发电器件不受光照强度、器件周围环境温度的影响,性能随着器件混联数目的增加不断提升。当4个器件单元混联时,器件在95%RH湿度下发出600m V短路电压,其能够满足小型传感器电压的个性化需求。此外,不同弯曲程度几乎对其湿气发电性能无影响,进一步扩大其使用领域范围,这将湿气转化为电资源提供了一种新的方案。(3)将湿气发电器件p-n腿沿中心线对折成60°角,将p-n腿固定在硬纸板上,制备成“三角形”瓦楞状的温差发电器件。经研究发现:湿热发电器件在绝对温差50k(△T=50k)、常湿(RH=50~60%)条件下,可获得217m V的优异开路输出电压。而当湿度为95%RH、绝对温差为50k时,器件的发电电压可达728m V,并且其性能随p-n数目增加而不断提升。在95%RH湿度环境下,可持续发电24小时以上,电压稳定在500m V以上。(4)通过湿热发电过程分析,研究认为:当器件受到温差影响时,器件中的p和n极腿中的无机半导体Bi2Te3以及有机半导体PEDOT产生的电子及空穴会从热端向冷端移动,产生塞贝克效应,形成电子驱动的电势差;而PSS/甘油则会电离释放H+,由热端向冷端迁移,同样会产生塞贝克效应,形成离子驱动产生的电势差。与此同时,在湿气环境下而PSS/甘油则会电离释放足够多的H+,离子迁徙并在电极附近区域形成新的双电层结构,从而离子扩散驱动产生电势差。在湿热环境驱动发电过程中,两机制协同构建本湿热发电的机理。
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