新型磁响应发电器件的研究

With the increase of global warming and energy crisis, a new type of energy conversion device has attracted the most attention. This type of device such as triboelectric nanogenerator, pyroelectric nanogenerator, as well as piezoelectric nanogenerator collected the energy (e.g. mechanical, thermal, biological, and osmotic energy) from environment and then converted it into electric power, displaying low cost, environmental friendly, and sustainable self-powering advantages. However, the power efficiency of these devices is relatively low and improving their performance is still of a great challenge. Here, we proposed a new strategy to efficiently separate positive and negative charges by the assistance of magnetic force, which is distinct from previous devices. The so-called magnetic generator comprised of a “sandwich” structure—Electrode/Magnetic gel/Electrode and an external magnet. The migration behavior of these charged magnetic species across the gel layer was characterized, and in combination with modelling, the power generation principle was subsequently proposed. With continuously improving the device structure, magnetic gel layer, and integration with energy storage devices, we expected this magnetic generator could output electric power efficiently.

伴随着全球变暖与能源危机的加剧，一类新型能量转化器件的研发逐渐成为科学家们关注的焦点。这类器件收集环境中的机械能、热能、生物能以及盐差能等并将其转化为电能，具有经济、环保、可持续自供电等优点。例如，摩擦纳米发电机、热释电发电机以及压电发电机等。然而，这些发电器件的能量利用效率还比较低，进一步提高输出性能仍然面临较大的挑战。有别于目前各类发电器件中正负电荷的分离机制，本项目提出采用外加磁场的新方法实现正负电荷的高效分离。拟采用“三明治”结构，电极/磁响应凝胶活性层/电极，结合外加磁场构建高效的磁响应发电器件。系统研究磁场作用下磁性带电物质在凝胶活性层中的迁移行为，结合理论模拟，阐明发电器件的工作原理。通过器件结构与磁响应活性层的不断优化，发电器件及其与储能器件的有效集成，提高能量转化效率，实现高效的电能输出。

随着物联网技术的兴起，微纳设备的持续性和实用化供电成为了亟待解决的问题。近年来，科学家们发明了诸如摩擦纳米发电机、湿度发电器件以及离子热电设备等各种新型微纳能源器件，然而受限于能量密度和稳定性，开发实用化的新型能量收集器件仍然富有挑战。总结已报道的各类能量收集设备，如何利用外场在材料中实现有效的正负电荷分离并且建立可调制的电荷浓度梯度是实现能量转化与输出的关键。因此，我们从磁性材料的设计与合成出发，提出通过外加磁场实现正负电荷的有效分离，开发出性能优异的新型微纳能源器件。.按照项目任务书计划，我们设计了一种全新的磁性聚合物离子液体微孔结构材料，该材料中微孔上具有固定的正电荷，周围是可移动的磁性阴离子。在外加磁场的作用下，正负电荷实现有效分离并建立电荷梯度，从而对外输出电能。同时，我们将该磁性微孔材料用作晶体管的栅极，从而构建了磁场调制的晶体管器件，展示了该材料在能量收集器件以外的应用潜力。进一步地，我们将该理念拓展到金属纳米颗粒体系，采用磁性离子液体修饰金纳米颗粒。在金纳米颗粒薄膜中，外加磁场促使可迁移的磁性阴离子与固定正电荷分离并发生长程迁移，从而建立电荷浓度梯度分布并输出电能。另外，有别于人为施加磁或电等外场建立电荷浓度梯度，我们设计了一种非对称的平面结构，采用PDMS部分覆盖带电的金属纳米颗粒薄膜从而创造不对称的湿度环境，借助环境中的湿度变化实现了金纳米颗粒薄膜中电子电荷的梯度分布。该器件可在大气环境下实现高达0.4 V的恒定电压长时输出，在高湿度的环境下输出功率可达100 nW。这些工作旨在探索全新的发电机制，拓展材料体系并以此为基础开发系列新型纳米发电器件，为自供电微纳器件的研究提供了新的见解与性能优化途径，并展示了其作为供电单元在电子器件集成化平台中的应用潜力。