- 首頁
- 資訊
Matter：云南大學包黎霞、王繼亮課題組在光機電發電薄膜領域取得進展
來源：云南大學新聞網 2022-08-23
導讀：近日，云南大學化學科學與工程學院高分子系包黎霞、王繼亮課題組在Cell的姊妹刊Matter上在線發表了一篇題為“Photomechaelectric Nanogenerator”的Discovery研究成果。
該成果通過分子設計，將對紫外光敏感的偶氮苯光敏單元（AZO）及具有弱離子間相互作用的離子液體單元（ILO）以共價鍵的形式同時引入大分子主鏈。通過紫外－可見光作用下AZO單元的“逐層”順反異構變化，使得ILO單元中的陰陽離子發生顯著分離，進而形成“動態分子偶極”，而獲得內部電勢差。不同于導體的光電效應及無機和共軛導電聚合物半導體的光伏效應，該成果所述“光機電”效應為非電子導電型柔性聚合物的光電轉換提供了可能，同時也為柔性納米發電機、自供電光電傳感器及探測器的開發提供了全新的化學策略。相對而言，太陽能是一種取之不竭、用之不盡的綠色清潔能源，但太陽能具有間接性，不能滿足人類對能源全天候使用的要求，因此太陽能的轉換及存儲具有重要的理論和現實意義。相變儲能材料及光伏材料在過去幾十年間得到了人們的廣泛關注，究其原因，這兩類材料可將太陽能有效存儲起來或轉換為電能，以便人們在任何需要的時候均可方便地使用。廣義的“光電效應”包括由法國科學家Becqurel于1839年發現的內光電效應（亦稱光伏效應）及德國物理學家Hertz于1887年發現的外光電效應，“光電效應”是金屬和無機或有機共軛導電聚合物半導體將太陽能轉換為電能的理論基礎。1905年，著名科學家愛因斯坦給出了外光電效應的理論解釋。金屬之所以能將太陽能轉換為電能，主要是因為入射光的頻率超過了金屬表面自由電子的逸出頻率，換言之，當入射光子的能量超過金屬表面自由電子溢出所需的能量（即逸出功）時，金屬表面將產生“光電子”而獲得直流電。而對于無機或有機共軛導電聚合物半導體而言，光照作用下，不均勻p-N半導體的內部將產生電子與空穴的重新分布，進而形成電勢差，此即光伏效應。由上述機理可知，當光作用于電子絕緣聚合物時，由于聚合物中無自由電子或電子與空穴的重新分布現象，因此電子絕緣聚合物無外光電效應或光伏效應，不能將光能轉換為電能。在團隊大量前期太陽能儲能材料（Chem. Eng. J., 2020,389,124483; Chem. Eng. J., 2022,428,131088; Chem. Eng. J., 2022,436,135226; Chem. Eng. J., 2022,450,138144）及功能性離子液晶或離子塑晶的分子設計、合成及應用基礎上（Electrochimica Acta, 2019，294，249-259；J. Power Sources, 2019, 444, 227305; Nano Energy, 2020, 67, 104220; Polymer, 2021, 215,123388; Carbohydr. Polym, 2021, 255, 117363; J. Energy Chem.,2022,66,647-656; J. Energy Chem.,2022,73,360-369），本研究通過分子設計（如圖1所示），將對紫外光敏感的偶氮苯光敏單元（AZO）及具有弱離子間相互作用的離子液體單元（ILO）以共價鍵的形式同時引入大分子主鏈。圖1：具有“光機電效應”電子絕緣聚合物的分子結構示意圖以期通過紫外－可見光作用下AZO單元的“逐層”順反異構變化，使得同樣被共價鍵合于大分子鏈的ILO單元中的陰陽離子在AZO單元發生異構變化的同時發生有效分離，進而形成動態分子偶極，從而獲得內部電勢差，并最終實現電子絕緣聚合物也可將光能轉換為電能的目的。不同于傳統導體及半導體通過光電效應將光能轉換為直流電的機理，該研究通過紫外光作用下AZO單元的逐層空間構型翻轉（微弱“機械形變”），誘導相應ILO單元中的陰陽離子有效分離而產生動態分子偶極，形成內部電勢差，并最終誘導沉積電極內部的電子發生周期性定向遷移而獲得交流電。簡便起見，將該研究所述機理稱為“Photomechaelectric effect”（光機電效應），工作機理如圖2所示。相關研究結果顯示，該研究所制備的電子絕緣型ZAO-ILO共聚物薄膜在僅3 mW cm-2的紫外光輻照時即可產生超過5V的交流電，且經過整流電路整流處理后可多次、持續點亮商用LED二極管，10分鐘內2200 μF大容量商用電容器兩端的電壓可升高至4.5V以上（如圖3所示），所開發“光機電”共聚物在柔性納米發電機、自供電光電探測器及光電傳感器領域表現出巨大的應用價值。
論文通訊作者為包黎霞、王繼亮，第一作者為碩士生趙金、張映昊。該工作得到國家自然科學基金（21961044，22169024）、云南省科技廳“重大科技專項”、云南省“千人”計劃、云南省“萬人”計劃、云南省基礎研究計劃（202105AC160072，202101BC070001-019，202101AT070280，202102AB080017）和云南大學研究生創新研究計劃（2021Y394）的大力支持。
文章鏈接:https://authors.elsevier.com/a/1fbFe_wvImik7g 參考資料：http://www.news.ynu.edu.cn/info/1101/28064.htm
聲明：化學加刊發或者轉載此文只是出于傳遞、分享更多信息之目的，并不意味認同其觀點或證實其描述。若有來源標注錯誤或侵犯了您的合法權益，請作者持權屬證明與本網聯系，我們將及時更正、刪除，謝謝。 電話：18676881059，郵箱：gongjian@huaxuejia.cn
在線客服
快速發布
我的店鋪
我的化學加
我的消息
我要充值
回到頂部
