《先進(jìn)材料》刊發(fā)我院快速制造中心蘇彬課題組研究成果
近日，我院快速制造中心蘇彬課題組在史玉升老師的支持下，最新研究成果“A superhydrophobic droplet-based magnetoelectric hybrid system to generate electricity and collect water simultaneously”發(fā)表在國際著名材料雜志《Advanced Materials》。 華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院馬征博士后為論文第一作者，材料科學(xué)與工程學(xué)院蘇彬教授為論文通訊作者，華中科技大學(xué)為第一完成單位。上述論文設(shè)計(jì)新型的柔性磁電復(fù)合材料體系，將超疏水表面引入到課題組2019年開發(fā)的柔性磁電材料體系中，提出了一種全新的收集環(huán)境離散水能的研究模型，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了凈水收集和電能轉(zhuǎn)換。該研究為環(huán)境集水發(fā)電一體化的研究提供了新的思路和方法（見圖1）。
圖1. 超疏水柔性磁電體系
該課題組2019年提出柔性磁電材料的設(shè)計(jì)與制備，先后制備了壓力型（圖2左邊）、拉伸型（圖2右邊）柔性電磁復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械壓力/拉力與電能之間的轉(zhuǎn)換。
圖2. 柔性磁電材料體系工作基礎(chǔ)
在前期工作基礎(chǔ)上，課題組對固體柔性磁電材料體系進(jìn)行了結(jié)構(gòu)升級：通過在樣品內(nèi)部引入由超疏水表面和丙三醇液滴構(gòu)成的彈性中間層，使導(dǎo)電部分與磁性基底分隔開。其中，由于低的表面能，丙三醇與上下的超疏水接觸面的接觸呈現(xiàn)Cassie態(tài) （見圖3）。在外界壓力作用下（水滴滴落），丙三醇發(fā)生受力形變，Cassie態(tài)的接觸轉(zhuǎn)變成Semi-Cassie態(tài)。由于該形態(tài)的可恢復(fù)性，當(dāng)外力作用消失時(shí)（水滴從超疏水頂面脫離樣品），丙三醇液滴的Semi-Cassie的接觸恢復(fù)到Cassie態(tài)，由此實(shí)現(xiàn)樣品內(nèi)部導(dǎo)電線圈與磁性基底之間的相對位置的可逆改變。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)閉合導(dǎo)電線圈與磁性基底之間的距離發(fā)生改變時(shí)，線圈內(nèi)的磁通量發(fā)生改變，從而產(chǎn)生誘導(dǎo)電動勢發(fā)電。
圖3. 超疏水磁電復(fù)合模型的制備及發(fā)電機(jī)理
隨后，該研究在超疏水磁電復(fù)合體系中引入了仙人掌仿生結(jié)構(gòu)，使其在收集分散微型水滴的同時(shí)，對其勢能轉(zhuǎn)化而來的動能進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為電能的形式輸出（如圖4所示）。 得到了收集環(huán)境離散型水源（如霧、雨水等）與發(fā)電一體化的超疏水基電磁模型。
圖4. 收集環(huán)境離散水源與發(fā)電于一體的超疏水磁電復(fù)合模型
該研究得到國家自然科學(xué)基金海外高層次人才基金，國家博士后基金，華中科技大學(xué)人才引進(jìn)基金等項(xiàng)目的資助。
文章鏈接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202006839
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