新型多功能材料可同時將太陽能、熱能和動能轉化為電能

近日，芬蘭奧盧大學的白洋博士及其團隊發展了一種新型的多功能材料，在同一材料上可同時將太陽能、熱能和動能轉化為電能。

人的周圍分散著很多耗散和浪費掉的環境能量，如太陽能、環境中因溫度改變而產生的熱能，機器、人體運動而產生的動能等。這些能量可以收集起來並轉化為可用的電能，用來供給攜帶型或可穿戴設備（包括生物醫療感測器、智能手錶等）和其他無線感測網路（如物聯網、智能城市等）。這種將廢棄的環境能轉換為電能的技術稱為能量採集技術，是將來可以取代電池的永久型電源，即在很長一段時間內（至少20年以上）不用充電、不用更換、不用維護。

以當前的能量採集技術發展水平，人們只能使用特定的材料去轉化指定的能量形式。比如，基於半導體材料的太陽能板只能用來採集太陽能和其他可見光能，利用電磁效應（如發電機、風電機等）只能採集動能（或稱為機械能），特殊的合金材料採集熱能等等。

然而，在現實中很多情況下，只採集單一的能量形式是不夠的。特定的一種能量不可能時時刻刻存在。例如在室內或陰雨天，可利用的太陽能只有晴天時的0.04%至1%，並且太陽能板在夜晚不能工作；環境溫度在一天中並不總是時時刻刻變化；人們需要休息，不是每時每刻運動來產生動能。因此，能量採集技術必須發展一種新的材料，可用來同時採集不同形式的能量，以達到最高的效率及環境能量利用率。

鈣鈦礦型結構的材料具有採集不同形式能量的潛質，但並不能同時採集。某些類型鈣鈦礦結構的材料善於採集太陽能，但是不能有效採集動能或熱能；另一些則相反，善於採集動能及熱能，但不能吸收太陽能中的可見光部分，即太陽光中的大部分能量。

白洋博士等人發現，KNBNNO材料是對當前鈣鈦礦結構材料的一種突破。KNBNNO是材料中6種化學元素的縮寫，即代表鉀、鈉、鋇、鈮、鎳、氧。這種新型的材料同時具備優良的壓電及熱釋電性能，用來有效採集動能和溫度波動產生的熱能，並適用於可見光範圍內半導體禁帶的帶寬，用於有效吸收可見光。他們僅利用同一材料即可收集三種不同形式的能量，大大提高了能量採集技術的效率及實用發電能力，並可以大大簡化傳統多源能量採集器的內部結構，降低設計及生產的成本。當陰雨天或夜晚不能採集太陽能時，該材料可以採集因溫度改變而產生的熱能；這種材料在人們休息時可以採集太陽能；在熱能和太陽能都很少的時候，可以通過人體運動來彌補能量的不足，可以看作是一種萬能的能量採集材料。

正如上文提到的，這種新型的多功能材料可作為電池的補充，甚至取代電池成為無線感測網路及可穿戴設備的永久性電源，大幅度延長設備的待機時間，無需頻繁充電。相關成果近期發表在Advanced Materials 上，第一作者和通訊作者均為白洋博士。

該研究得到歐盟地平線2020計劃提供的資金支持。

來源：X一MOL資訊

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！