单晶N掺杂4H-SiC纳米线阵列基压电纳米发电机的制备及其在高温、酸碱环境中的应用

 

Linlin Zhou, Tao Yang, Laipan Zhu, Weijun Li, Shuize Wang, Xinmei Hou, Xinping Mao, Zhong Lin Wang, Piezoelectric nanogenerators with high performance against harsh conditions based on tunable N doped 4H-SiC nanowire arrays, Nano Energy, 83, (2021), https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.105826

 

 

在全球变暖的背景下，寻找新型可再生的清洁能源已成为人类社会发展中亟需克服的难题。自然环境中分布着大量无序的机械能，如微风、振动等。压电纳米发电机能够有效实现这些机械能向电能的转化，因此受到了广泛关注。各种压电系数大、能量转换效率高的压电材料已经被用于组装压电纳米发电机，但大多数压电纳米发电机仍然局限于在室温和中性环境下工作。随着社会的进步，发展能够在高温和酸碱腐蚀等极端恶劣条件下安全、稳定工作的压电纳米发电机成为迫切的需要。

近日，北京科技大学侯新梅教授领导的“绿色冶金”研究团队发表了题为“Piezoelectric nanogenerators with high performance against harsh conditions based on tunable N doped 4H-SiC nanowire arrays”的研究论文，提出了单晶N掺杂的4H-SiC纳米线阵列基压电纳米发电机并将其应用于高温、酸碱等工作环境中以研究其稳定性，该成果发表在国际能源顶级期刊《Nano Energy》。

图1 N掺杂4H-SiC基压电纳米发电机的服役环境示意图

该文章利用阳极氧化的方法，通过控制氧化时间，调控了单晶N掺杂4H-SiC纳米阵列的形貌，如图2所示。研究结果显示当阳极氧化时间为15 min时，可得到高度定向的纳米线阵列，通过X射线衍射和透射电子显微镜的表征和分析，确定了产物为具有高结晶度的单晶4H-SiC。利用自支撑的单晶N掺杂4H-SiC纳米线阵列薄膜组装压电纳米发电机，测得室温下的输出电流和电压分别为200 nA cm-2和3.0 V。压电纳米发电机在100 ℃和200 ℃下瞬时加热的电流密度分别为188 nA cm-2和172 nA cm-2，是室温下电流密度的94%和86%。在200 ℃环境中加热1 h后，压电纳米发电机的输出保持在原始输出的75%（150 nA cm-2）。此外，单晶N掺杂4H-SiC纳米线阵列在98% H2SO4和40% NaOH溶液中浸泡12h后组装的压电纳米发电机的输出分别达到原始输出的82%（164 nA cm-2）和77.5%（155 nA cm-2）。

最后，该文章探讨了单晶N掺杂4H-SiC纳米线阵列基压电纳米发电机具有优异的耐高温和耐酸碱稳定性的原因。首先，4H-SiC的宽带隙可以容纳更多的热激发电子，使其能够在高温环境下正常工作，同时它还具有良好的物理和化学惰性，使其展现出良好的循环使用稳定性和良好的耐酸碱性。其次，纳米线阵列可以产生更大程度的变形，其单晶特性使其变形产生的偶极子具有相同的方向，产生宏观压电场。再次，纳米线阵列之间的空隙为4H-SiC纳米线在高温环境中的体积膨胀提供了空间，保证了NWAs在高温环境下的结构稳定性。最后，N离子的引入形成的偶极子在力场作用下呈现定向极化，显著增强了4H-SiC的压电效应。

 

图2 不同氧化时间得到的N掺杂4H-SiC阵列的形貌：(a1)和(b1) 11 min，(a2)和(b2) 15 min，(a3)和(b3) 18 min，(a4)和(b4) 21 min。

图3 单晶N掺杂4H-SiC纳米线阵列基压电纳米发电机在普通和极端环境中的性能测试：(a) 电流，(b) 电压，(c) 瞬时高温条件，(d) 长时间高温条件，(e) H2SO4溶液，(f) NaOH溶液。

 

北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心“绿色冶金”团队基于冶金物理化学理论基础，突破传统冶金、化工、能源、环境和材料等各学科割裂的局限，探究新型材料对钢铁、能源和环境领域的促进作用。梯队的主要研究方向包括：（1）界面反应动力学；（2）高温溶体界润特性研究；（3）新型高温陶瓷材料的开发；（4）冶金过程废水、废液、烟气和固废治理和综合利用；（5）新型光电、力电功能材料的开发与器件构筑等；（6）基于电化学冶金的功能材料多结构调控。目前有教授3人(含国家杰青1人)，副研究员1人，助理研究员1人。团队承担国家及省部级项目20余项，发表SCI论文200余篇，申请专利30余项，获得包括省部级奖项10余项。

 

侯新梅教授课题组

袁章福教授课题组