供稿人：孫騰闊、連芩 供稿單位：西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2024-01-10
對化石燃料的持續(xù)依賴使人類面臨能源和環(huán)境危機，能源的稀缺和無法有效減少溫室氣體的排放，正在推動全球變暖。利用清潔和可再生能源發(fā)電的新型能源轉(zhuǎn)換技術(shù)被認(rèn)為是一個很有前途的解決方案。隨著新型水能發(fā)電(WEG)技術(shù)的出現(xiàn)，這些可再生能源可以通過水與固體之間無處不在的相互作用轉(zhuǎn)化為綠色電力。與傳統(tǒng)水力發(fā)電方式相比，新型WEG技術(shù)具有制造工藝簡單、安裝簡單、靈敏度高、重量輕、生態(tài)友好等優(yōu)點。因此，WEG已發(fā)展成為一個迅速擴大的研究領(lǐng)域。
WEG的新興技術(shù)大致分為兩種類別：濕電發(fā)電機(MEGs)和水蒸發(fā)感應(yīng)發(fā)電機(WEIGs)。與MEGs不同，WEIGs利用毛細(xì)管作用的連續(xù)過程和無處不在的蒸發(fā)來驅(qū)動溶液通過固體的帶電微通道，從而產(chǎn)生流動電壓。因此，電信號長時間穩(wěn)定保持，受環(huán)境波動的影響較小。WEIG技術(shù)在這一發(fā)展中的清潔能源收集領(lǐng)域顯示出巨大的實際應(yīng)用潛力。華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點實驗室李鑫、陳廣學(xué)等將木質(zhì)生物炭（WBC）與乙基纖維素（EC）和乙醇混合制成均勻的漿料，并在硅膠墊上鑄造漿料后，通過空氣熱解制備WEIG。并詳細(xì)研究了WBC形成過程，評估了來自木質(zhì)纖維素（LCFs）三個不同組分的WBC對電力生成的影響。研究結(jié)果表明，富含木質(zhì)素的WBC特別適用于WEIG，這為廣泛采用LCFs進行水電能源發(fā)電提供了潛在可能性。
圖1 (a) WBC合成過程示意圖，(b)纖維素、半纖維素和木質(zhì)素在炭化前后的形態(tài)演變
研究者利用木質(zhì)生物炭（WBC）作為材料制備水蒸發(fā)誘導(dǎo)電發(fā)生器（WEIG）。WBC是由LCFs制備的，LCFs是一種主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成的植物生物質(zhì)，其內(nèi)部化學(xué)結(jié)構(gòu)和成分比例各不相同圖1(a)。LCFs中提取出纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三種成分，分別用α-纖維素、玉米芯木聚糖和硬木提取的木質(zhì)素代替，制備出三種不同成分的WBC。然后，將這些成分放入管式爐中進行碳化處理，得到WBC。最后，將WBC與乙基纖維素和乙醇混合成均勻的漿料，倒入硅膠墊中，進行空氣熱解，制備出WEIG。這些樣品的形態(tài)演化如圖1(b)所示。實驗測試結(jié)果表明使用具有較高木質(zhì)素含量的生物廢棄物制備的WEIGs具有較高的短路電流（Isc）和開路電壓（Voc）。通過調(diào)整原材料中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的比例，可以調(diào)節(jié)WEIGs的Isc和Voc。WEIGs的電性能與碳化溫度有關(guān)。隨著碳化溫度的增加，WEIGs的電性能逐漸提高。較高的碳化溫度使得WBC轉(zhuǎn)變?yōu)楦€(wěn)定的結(jié)構(gòu)，減少了在退火過程中丟失碳原子的可能性。WEIGs的粒徑對電性能影響較小。濕度、風(fēng)速和溫度對WEIG的電壓產(chǎn)生影響。增加濕度和風(fēng)速會降低WEIG的電壓，而增加溫度會提高WEIG的電壓。此外，WEIG對溫度變化具有良好的自調(diào)節(jié)能力。這些測試結(jié)果提供了關(guān)于WEIGs的電性能和影響因素的重要信息。
綜上所述，通過使用富含親水性功能基團和微/納米孔隙的WBC，可以制備一種簡單有效的基于水的微型蒸發(fā)誘導(dǎo)發(fā)電器（WEIG）。這種制造的基于WBC的能量發(fā)生器可以根據(jù)WEIG的數(shù)量進行擴大。此外，電能可以被收集起來用來操作計算器，這表明了它在實際應(yīng)用中的潛力。