基于多孔碳薄膜的蒸发诱导水流动发电及机理研究

Harvesting environmental energies to power small electronics for self-powered systems has drawn a great number of research interests in recent years. This project proposes a novel energy conversion approach based on the evaporation driven water flow in porous carbon film and investigate the underlying mechanism. The expected research contents are as listed below: i) Controllable synthesis and surface modification of the porous carbon film, in order to obtain carbon film with controllable pore size distribution, thickness, crystallinity, conductivity, surface property and high stability; ii) Effect of pore size, surface property, liquids and environment conditions on the generated electricity; iii) Potential/current generation mechanism analysis, based on the theoretical and experimental research on the carrier transport and conversion phenomenon in the solid/liquid interface; iv) structure and surface property optimization based on the scientific understanding, aiming to fabricate evaporation device with output power over 5.0 μW/cm2 and life time over 1000 h. Generally, this project is an original innovation, with important influence on the research of liquid/carbon based energy conversion both academically and industrially.

近年来，有关通过收集环境能源来驱动低功耗器件、构筑“自驱动系统”的研究引起了人们极大的兴趣。本项目提出开展基于多孔碳薄膜的蒸发诱导水流动发电及其机理研究。首先，开展多孔碳薄膜的可控合成与表面性能调控研究，获得孔隙分布、厚度、结晶度、电导以及表面化学性质可控且结构稳定的多孔碳薄膜；其次，研究多孔碳薄膜孔径分布、表面性质、溶液种类以及外部环境条件等多种因素对发电性能的影响规律；然后，进行理论和实验分析，揭示多孔碳薄膜内部固液界面两侧的载流子传输规律，澄清电压、电流的产生机制；最后，在科学认识的基础上，对材料结构、表面性质进行优化，研制出输出功率大于5.0 μW/cm2、寿命超过1000小时的器件。本项研究具有原始创新，研究结果将对流体-低维碳纳米结构能量转化研究具有推动作用，具有重要的科学意义和应用前景。

为了满足新时代对能源利用和使用方式多样化的需要，探索可突破时空限制的新型能量转换材料及器件具有重要的科学意义和潜在应用价值。本项目主要围绕低品位热能的能量转换新方法新材料新器件开展研究工作，取得系统性创新成果：1）提出并实验证实基于纳米多孔碳薄膜材料蒸发诱导水流动发电新思路，实现环境无显性温差热能的转化，获得伏特级直流电压输出，输出功率约为12.5 W/cm2，达到弱电器件供电水平；2）提出离子/氢键协同效应和热敏性晶体诱导浓差两种新策略，实现低品位热能的高效转化，获得目前热化学电池最高塞贝克系数（4.2 mV K-1）和最高相对卡诺循环效率（11.1%）。通过上述研究，在Science、Nature Nanotechonology、Nature Communications、Advance Materials等著名学术期刊发表论文32篇。多项研究工作被Science、Nat. Nanotechonol.、Science Daily、Physics World、Chemistry World等期刊和学术网站专题报道或评述，被评价为“揭开了基于碳纳米材料的蒸发发电的帷幕”、“新的发现”、“首次验证”、“最高的”，并受邀在国家自然科学基金委网站主页和旗下杂志《Science Foundation in China》撰写研究进展。获授权中国发明专利6项。项目执行期内，共培养博士后5名，博士、硕士研究生9名。组织大型国际会议2次、国内会议1次，在美国材料研究会年会（MRS）等国内外重要学术会议做邀请报告19次。项目负责人获2020年度国家杰出青年科学基金资助，连续入选科睿唯安全球高被引科学家（2018-2020）。