一石二鸟：自适应环境能量收集 | NSR
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自适应环境能量收集旨在回收广泛存在于环境中的稳态/非稳态光热、废热和雨滴能量，其对于促进能源可持续发展和实现“双碳”目标具有重要意义。近年来，利用瞬时温度变化（dT/dt）来诱导铁电体自发极化（PS）改变，以实现非稳态环境余热收集的热释电器件（Pyroelectric）相继被报道。然而，上述平面型器件往往在面外/厚度方向进行同步、均匀的光热转换与热流传导，导致温度变化速率和材料自发极化变化较小，从而难以获得较大的热释电电流（正比于dT/dt）和功率密度。与此同时，对于雨滴能量收集而言，传统平面型器件较低的结构自由度未能有效促进固液接触/分离过程中水滴接触面积的瞬时变化（dS/dt），由此降低了固液界面摩擦电荷密度（正比于dS/dt）和静电感应效率，进而限制了雨滴发电器件的输出功率密度。
针对上述难题，南方科技大学何佳清教授与新加坡国立大学何锦韦（Ghim Wei Ho）教授提出了一种基于非平面介电结构实现非均匀局部热场和静电场协同调控，以增强热释电和摩擦电（Triboelectric）发电性能，实现“一石二鸟”的自适应环境能量收集新策略。相关成果发表于《国家科学评论》（National Science Review），周毅博士为第一作者，何佳清教授、何锦韦教授为共同通讯作者。
自适应非平面能量收集器的原理示意图。（a）不同天气条件下的环境能量存在形式及其对应的能量收集技术。（b）非平面介电结构协同实现光热热释电发电（左侧）和雨滴摩擦发电（右侧）示意图。（c）平面与非平面结构下归一化的电学输出对比。
研究团队首先提出了一种“一石二鸟”的自适应环境能量收集新模式，即利用非平面介电结构并基于介电材料电学输出的各向异性和温度非线性，协同调控热释电自发极化和雨滴摩擦发电效率，以克服传统环境热能和雨滴能量收集器的独立性与低效性。具体而言，所设计的非平面多层介电结构有效局域了太阳光热转换并使温度场沿器件的面内方向扩散，从而大幅提高了非均匀温度变化速率与空间极化改变，进而增大了热释电电学输出。同时，上述非平面介电结构及其表面织构有效促进了水滴的扩散和分离，提高了固液摩擦起电与静电感应效率，增大了雨滴能量输出性能。实验测试结果表明，相比平面结构的单一器件，采用非平面介电结构器件可以将光热热释电和雨滴摩擦发电的输出功率密度分别提升174.3%和65.4%。
研究团队进一步在晴天、阴天、夜晚和雨天进行了室外测试，以验证器件系统的全天候自适应能量收集可行性。该研究成果不仅为环境能量收集提供了可行方案，也为其他高熵能量回收或余能利用提供了借鉴之处。上述研究成果同时得到了英国巴斯大学Chris Bowen教授的亮点报道。
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