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Matter：云南大學包黎霞、王繼亮課題組在光機電發(fā)電薄膜領域取得進展
來源：云南大學新聞網(wǎng) 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(fā)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(fā)生顯著分離，進而形成“動態(tài)分子偶極”，而獲得內(nèi)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(zhuǎn)換提供了可能，同時也為柔性納米發(fā)電機、自供電光電傳感器及探測器的開發(fā)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(zhuǎn)換及存儲具有重要的理論和現(xiàn)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(zhuǎn)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(fā)現(xiàn)的內(nèi)光電效應（亦稱光伏效應）及德國物理學家Hertz于1887年發(fā)現(xiàn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)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(nèi)部將產(chǎn)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(xiàn)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(zhuǎn)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(fā)生異構變化的同時發(fā)生有效分離，進而形成動態(tài)分子偶極，從而獲得內(nèi)部電勢差，并最終實現(xiàn)電子絕緣聚合物也可將光能轉(zhuǎn)換為電能的目的。不同于傳統(tǒng)導體及半導體通過光電效應將光能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)（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(chǎn)生動態(tài)分子偶極，形成內(nèi)部電勢差，并最終誘導沉積電極內(nèi)部的電子發(fā)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。圖2：光機電納米發(fā)電機的發(fā)電機理示意圖相關研究結果顯示，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(chǎn)生超過5V的交流電，且經(jīng)過整流電路整流處理后可多次、持續(xù)點亮商用LED二極管，10分鐘內(nèi)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(fā)“光機電”共聚物在柔性納米發(fā)電機、自供電光電探測器及光電傳感器領域表現(xiàn)出巨大的應用價值。
圖3：光機電納米發(fā)電薄膜的能量－時間依賴性曲線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(chuàng)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
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