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Matter：云南大學(xué)包黎霞、王繼亮課題組在光機(jī)電發(fā)電薄膜領(lǐng)域取得進(jìn)展

來源：云南大學(xué)新聞網(wǎng)      2022-08-23
導(dǎo)讀：近日，云南大學(xué)化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)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。

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該成果通過分子設(shè)計(jì)，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(jià)鍵的形式同時(shí)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(gòu)變化，使得ILO單元中的陰陽離子發(fā)生顯著分離，進(jìn)而形成“動(dòng)態(tài)分子偶極”，而獲得內(nèi)部電勢差。不同于導(dǎo)體的光電效應(yīng)及無機(jī)和共軛導(dǎo)電聚合物半導(dǎo)體的光伏效應(yīng)，該成果所述“光機(jī)電”效應(yīng)為非電子導(dǎo)電型柔性聚合物的光電轉(zhuǎn)換提供了可能，同時(shí)也為柔性納米發(fā)電機(jī)、自供電光電傳感器及探測器的開發(fā)提供了全新的化學(xué)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(chǔ)具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。相變儲(chǔ)能材料及光伏材料在過去幾十年間得到了人們的廣泛關(guān)注，究其原因，這兩類材料可將太陽能有效存儲(chǔ)起來或轉(zhuǎn)換為電能，以便人們在任何需要的時(shí)候均可方便地使用。
廣義的“光電效應(yīng)”包括由法國科學(xué)家Becqurel于1839年發(fā)現(xiàn)的內(nèi)光電效應(yīng)（亦稱光伏效應(yīng)）及德國物理學(xué)家Hertz于1887年發(fā)現(xiàn)的外光電效應(yīng)，“光電效應(yīng)”是金屬和無機(jī)或有機(jī)共軛導(dǎo)電聚合物半導(dǎo)體將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的理論基礎(chǔ)。1905年，著名科學(xué)家愛因斯坦給出了外光電效應(yīng)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?yàn)槿肷涔獾念l率超過了金屬表面自由電子的逸出頻率，換言之，當(dāng)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(shí)，金屬表面將產(chǎn)生“光電子”而獲得直流電。而對于無機(jī)或有機(jī)共軛導(dǎo)電聚合物半導(dǎo)體而言，光照作用下，不均勻p-N半導(dǎo)體的內(nèi)部將產(chǎn)生電子與空穴的重新分布，進(jìn)而形成電勢差，此即光伏效應(yīng)。由上述機(jī)理可知，當(dāng)光作用于電子絕緣聚合物時(shí)，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(yīng)或光伏效應(yīng)，不能將光能轉(zhuǎn)換為電能。
在團(tuán)隊(duì)大量前期太陽能儲(chǔ)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(shè)計(jì)、合成及應(yīng)用基礎(chǔ)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(shè)計(jì)（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(jià)鍵的形式同時(shí)引入大分子主鏈。
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圖1：具有“光機(jī)電效應(yīng)”電子絕緣聚合物的分子結(jié)構(gòu)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(gòu)變化，使得同樣被共價(jià)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(gòu)變化的同時(shí)發(fā)生有效分離，進(jìn)而形成動(dòng)態(tài)分子偶極，從而獲得內(nèi)部電勢差，并最終實(shí)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(dǎo)體及半導(dǎo)體通過光電效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換為直流電的機(jī)理，該研究通過紫外光作用下AZO單元的逐層空間構(gòu)型翻轉(zhuǎn)（微弱“機(jī)械形變”），誘導(dǎo)相應(yīng)ILO單元中的陰陽離子有效分離而產(chǎn)生動(dòng)態(tài)分子偶極，形成內(nèi)部電勢差，并最終誘導(dǎo)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(jī)理稱為“Photomechaelectric effect”（光機(jī)電效應(yīng)），工作機(jī)理如圖2所示。
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圖2：光機(jī)電納米發(fā)電機(jī)的發(fā)電機(jī)理示意圖
相關(guān)研究結(jié)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(shí)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(diǎn)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(jī)電”共聚物在柔性納米發(fā)電機(jī)、自供電光電探測器及光電傳感器領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用價(jià)值。


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圖3：光機(jī)電納米發(fā)電薄膜的能量－時(shí)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(xué)基金（21961044，22169024）、云南省科技廳“重大科技專項(xiàng)”、云南省“千人”計(jì)劃、云南省“萬人”計(jì)劃、云南省基礎(chǔ)研究計(jì)劃（202105AC160072，202101BC070001-019，202101AT070280，202102AB080017）和云南大學(xué)研究生創(chuàng)新研究計(jì)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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