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Nat. Commun.：清華曲良體、程虎虎團隊在機器學習增強的石墨烯水誘導發(fā)電及功能應用上取得進展

來源：清華大學      2022-11-16
導讀：近日，清華大學化學系曲良體教授、程虎虎博士及團隊成員利用旋轉(zhuǎn)冷凍工藝，制備了具有長程有序二維通道結構的石墨烯水誘導發(fā)電機（2D-WEG），將大規(guī)模二維孔道有序集成，通過與水相互作用直接產(chǎn)生電能。
地球上的海洋、江河、空氣中含有巨大且豐富的水資源。近年來，利用水資源與納米材料相互作用產(chǎn)生電能的研究受到廣泛關注，所構建的水誘導發(fā)電機（Water-enabled Electricity Generation, WEG）或者水伏器件是一種新型的清潔能源材料技術，有望助力人類社會未來可持續(xù)發(fā)展。然而，水與納米材料相互作用產(chǎn)生電能過程受到納米級通道結構、規(guī)模集成度、多重材料參數(shù)等的耦合影響，使得開發(fā)高性能的水誘導發(fā)電機非常困難。

近日，清華大學化學系曲良體教授、程虎虎博士及團隊成員利用旋轉(zhuǎn)冷凍工藝，制備了具有長程有序二維通道結構的石墨烯水誘導發(fā)電機（2D-WEG），將大規(guī)模二維孔道有序集成，通過與水相互作用直接產(chǎn)生電能。同時，基于WEG發(fā)電器件的發(fā)電原理與流動電勢的相似性，研究者開發(fā)了基于遷移學習技術的性能優(yōu)化框架，其能夠使用小規(guī)模的實驗數(shù)據(jù)和大規(guī)模的流動電勢數(shù)據(jù)，實現(xiàn)發(fā)電性能的準確預測，并利用差分進化算法實現(xiàn)多個參數(shù)的耦合優(yōu)化。
相比傳統(tǒng)的機器學習方法，遷移學習模型能夠在小規(guī)模的實驗數(shù)據(jù)下實現(xiàn)對發(fā)電性能的準確預測。最終，通過遷移學習技術的多參數(shù)耦合優(yōu)化模型和試驗結合，構建了一系列具有不同發(fā)電行為的高性能水誘導發(fā)電機WEG，實現(xiàn)了水誘導發(fā)電機的定制化開發(fā)。此外，所開發(fā)2D-WEG器件優(yōu)異的力學性能使得其在不同的拉伸和彎曲變形下均能保持性能穩(wěn)定。研究者還展示了所開發(fā)的水流誘導發(fā)電器件驅(qū)動LED陣列、科學計算器、電子墨水屏等多種商用電子器件的應用場景。該研究不僅為高性能的水誘導發(fā)電機的設計與開發(fā)提供了新的路徑，所構建的遷移學習優(yōu)化框架也降低了機器學習方法在訓練數(shù)據(jù)不足的傳統(tǒng)物理、化學領域應用的門檻。相關成果以“遷移學習增強超有序氧化石墨烯納米孔道水誘導發(fā)電”（Transfer learning enhanced water-enabled electricity generation in highly oriented graphene oxide nanochannels）在《自然·通訊》（Nature Communnications）發(fā)表。

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2D-WEG石墨烯水誘導發(fā)電機研究成果示意及效果圖
利用水與功能材料相互作用產(chǎn)生電能研究還被用于開發(fā)多種先進功能器件。例如，該研究團隊發(fā)展的不對稱結構石墨烯薄膜，能夠吸收空氣中的水分形成穩(wěn)定電勢，構建了一種濕氣發(fā)電（Moisture-enabled Electricity Generation, MEG）薄膜，能夠?qū)囟?、濕度、壓力、光照等多種環(huán)境刺激產(chǎn)生響應信號。通過機器學習解析和薄膜器件構筑，開發(fā)了MEG自供電單組份實時多模態(tài)傳感?；诖碎_發(fā)的MEG多功能手環(huán)，能夠根據(jù)手腕處的壓力變化情況，來識別多種操作手勢和常用的手語信號，實現(xiàn)了自供能的人機交互。同時，其可以同步監(jiān)測人體的脈搏、體溫和皮膚濕度變化情況，并對多種心臟類疾病進行識別和預警，實現(xiàn)了使用單一MEG器件來進行多指標的人體健康檢測。

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濕氣發(fā)電薄膜自供電單組份實時多模態(tài)傳感
上述成果通訊作者為清華大學化學系曲良體教授和程虎虎博士，楊策博士為第一作者。該研究得到國家自然科學基金、清華大學佛山先進制造研究院、國強研究院項目的資助，同時得到清華大學有機光電子與分子工程教育部重點實驗室、高端裝備界面科學與技術全國重點實驗室、柔性電子技術實驗室的支持。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-34496-y
參考資料：https://www.tsinghua.edu.cn/info/1175/99860.htm

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