来源:Nano Research Energy 发布时间:2022/11/18 8:09:29
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香港城市大学王钻开教授:从机理到应用设计—基于仿生学设计的水驱动发电机最新综述

2022年11月7日,香港城市大学王钻开教授(现:香港理工大学)在清华大学主办国际学术期刊Nano Research Energy (https://www.sciopen.com/journal/2791-0091) 发表了题为“Bio-inspired water-driven electricity generators: from fundamental mechanisms to practical applications”的最新综述,该综述全面介绍了基于生物启发的不同形式的水驱动发电机的最新研究进展。

无处不在的水占据了地球表面约70%的面积,吸收了35%的太阳辐射(约60太瓦)。为了获取水中蕴含的巨大的能量,传统方法主要是使用大型的电磁发电机利用潮汐变化河流落差发电。然而基于传统技术的电磁发电机难以获取存在更为广泛的小规模或低频的水能,如蒸发、雨滴、河流缓慢流动、水面的微小起伏等。基于水-固相互作用的水驱动发电机技术可以直接从自然界的水循环中收集能量并产生电能,为这一难点提供了解决途径(图1)。然而由于过于简单的人工设计,水驱动发电机存在能量转换效率低、耐久性差、可扩展性差、集成度低等问题。

图1 基于水-固相互作用的水驱动发电机从自然界水循环中收集能量以产生电能

幸运的是,自然界各种各样有趣的生物为我们提供了丰富灵感。经过长久的自然选择,生物已经进化出能够适应各种恶劣环境的结构或功能,来高效地处理和管理水和能源。例如,荷叶的疏水微/纳米结构能够在液滴和表面之间形成气垫使液滴以极低的阻力在其表面滚动,从而达到“出淤泥而不染”的效果,这极大地启发了超疏水表面的研究。南洋杉叶的三维不对称毛细锯齿结构可以使不同表面张力的液体向不同方向流动。猪笼草通过其表面结构将大量液体铆钉在其表面,从而启发了液体注入多孔表面的设计。这些独特的生物表面/结构为设计各色的水驱动发电机提供了新的视角,使其兼具更好的耐久性和更高的能量输出

当前,基于仿生学设计的水驱动发电机刚刚起步,迫切需要对基于仿生学设计的水驱动发电机进行全面的综述,揭示其基本原理和仿生结构的科学的适应性设计,从而指导人工材料的设计、选择、优化和制造,进而超越自然,开发出满足具体实际应用的新型基于水-固相互作用的水驱动发电机和发电系统。本文首先介绍了各种形式水驱动发电机的发电机理;其次,综述了生物启发的水驱动发电机的最新研究进展,包括仿生波浪或流动水驱动发电机、仿生蒸发驱动发电机、仿生雨水驱动发电机和仿生湿气驱动发电机;接下来总结了仿生水驱动发电机在传感器、可穿戴发电和自供电设备三个领域的主要应用。最后,讨论了水驱动发电机存在的问题、解决措施和发展前景,为仿生学在水驱动发电领域的应用与融合提供了新视角。

论文信息:

K. Wang, W. Xu, W. Zhang, et al. Bio-inspired water-driven electricity generators: From fundamental mechanisms to practical applications. Nano Research Energy. https://doi.org/10.26599/NRE.2023.9120042.

Doi:10.26599/NRE.2023.9120042

Nano Research Energy Nano Research姊妹刊,(ISSN: 2791-0091; e-ISSN: 2790-8119; 官网: https://www.sciopen.com/journal/2790-8119)于2022年3月创刊,由清华大学曲良体教授和香港城市大学支春义教授共同担任主编。Nano Research Energy是一本国际化的多学科交叉,全英文开放获取期刊,聚焦纳米材料和纳米科学技术在新型能源相关领域的前沿研究与应用,对标国际顶级能源期刊,致力于发表高水平的原创性研究和综述类论文,已入选2022年度中国科技期刊卓越行动计划——高起点新刊项目。2023年之前免收APC费用,欢迎各位老师踊跃投稿。投稿请联系:NanoResearchEnergy@tup.tsinghua.edu.cn

 
 
 
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