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          鄭海務教授課題組在Advanced Functional Materials上發表壓電納米發電機重要研究成果

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          圖1:不同類型的壓電納米發電機的輸出性能

          圖2:利用COMSOL驗證三維互連多孔結構對輸出的影響

          近日,我校物理與電子學院鄭海務教授課題組在柔性壓電納米發電機的研究中取得新進展,相關研究成果發表在自然指數期刊、國際頂級期刊Advanced Functional Materials(最新影響因子15.621)。

          由便攜式電子器件組成的傳感器網絡和物聯網(IoT)近年來取得瞭飛速發展,這些電子器件通常需要具有可移動的、持續性的電源進行供電。使用傳統電池則會面臨管理和回收等一系列問題,並且廢棄的電池也會對環境造成危害。因此,壓電納米發電機作為一種將機械能轉換為電能的新技術,在IoT的發展中將會發揮重要作用。

          以往的報道中,為瞭制備基於有機-無機復合膜高性能壓電納米發電機,通常會使用PZT,PMN–PT等材料作為壓電填料,但是含鉛材料對環境和人類健康會造成嚴重危害。鄭海務教授團隊通過合成稀土元素釤(Sm)鈦(Ti)共摻雜鐵酸鉍Bi1−xSmxFe1−xTixO3 以改善鐵酸鉍的壓電性,並利用冷凍幹燥技術制備基於三維多孔互連壓電填料的壓電納米發電機。三維多孔互連壓電填料在柔性基質中均勻分佈,由於壓電填料的獨特結構,增加瞭壓電納米發電機的應力傳遞能力,進而提高瞭壓電納米發電機的電輸出,開路電壓和短路電流分別提高瞭5.3倍和5.6倍。研究人員還通過實驗對比與COMSOL多物理場仿真驗證瞭三維互連結構對電輸出的增益效果。此外,利用放大電路和比較器電路將壓電信號作為觸發信號設計自驅動機械傳感系統,控制接收端電器的運行,並將該系統與滅火器結合實現遠程操控滅火的應用展示。這些研究工作不僅拓寬瞭無鉛壓電陶瓷在能量捕獲領域的應用,也為自驅動機械傳感提供瞭新的思路,在IoT領域表現出巨大的應用前景。

          河南大學鄭海務教授、吳永輝講師以及中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士是論文的共同通訊作者,河南大學是第一署名單位,第一作者是碩士生張遠征。該研究工作受到科技部、國傢自然科學基金委、河南省高校科技創新團隊、河南大學一流學科培育項目等項目的資助。

          近年來,鄭海務教授作為負責人的復合能量捕獲與極化器件物理課題組主要開展基於壓電、摩擦電納米發電機的環境能量捕獲及極化效應對低維鐵電,壓電材料光電效應的調控研究。取得的系列研究進展包括:船型復合電磁-摩擦納米發電機(Nano Energy, 2019, 57, 616);基於KNN系高性能無鉛壓電納米發電機(J. Mater. Chem. A, 2018, 6,16439);基於摩擦納米發電機的自驅動智能水表(ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 6396-6403);收集環境風能和熱能的復合納米發電機(ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 14708-14715);彈簧輔助的摩擦-電磁復合發電機(Nanoscale, 2018, 10, 14747);BFTO/CuO薄膜的鐵電光伏效應(Appl. Phys. Lett. 2017,111, 032901);Au表面等離激元增強BLFO薄膜的光伏效應(J. Mater. Chem. C, 2017,5, 10615)。

          論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201904259