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新闻 | 我院朱熹教授团队在ACS Sustainable Chemistry & Engineering上发表研究成果

  • 2021.01.15
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近日,我院朱熹教授团队在期刊 ACS Sustainable Chemistry & Engineering 上发表了研究成果 Toward Plant Energy Harvesting for 5G Signal Amplification(通过植物能量采集用于5G信号放大的的技术)。

        近日,我院朱熹教授团队在期刊 ACS Sustainable Chemistry & Engineering上发表了研究成果 Toward Plant Energy Harvesting for 5G Signal Amplification(通过植物能量采集用于5G信号放大的的技术)。

        该研究设计了一种用于发电的植物微生物燃料电池装置。利用植物中的石墨烯量子点,可提高装置的能源转化率,达到经济环保的效果;并且可以利用于 WIFI 信号放大以及其他物联网场景,同时缓解 5G 时代激增的移动数据流量需求带来的电力消耗压力,具有广阔的应用前景。

        朱熹教授是我院普适人工智能应用研究中心副主任,目前他的研究方向是人工智能技术在材料科学尤其是新能源领域中的应用,他领导团队开发了基于智能机器人技术的加速新材料发现的 MAOS 系统,实现材料的“按需合成”,促进材料科学在AI时代的新发展。其团队在过去一年里屡屡在 Nature Communications、Nanoscale、JPC Letters 等顶级权威期刊发表文章。

研究摘要

        在这项工作中,我们设计了一种用于发电的植物微生物燃料电池(PMFCs)装置。植物中的石墨烯量子点(GQDs)材料能够大幅提高装置功率输出,并且能够持续输出平均电功率 320 mW/m2。我们定性地确定理想浓度以获得最佳功率输出。此外,我们使用 GQDs 相关的 PMFC 器件作为物联网使用的电源,如蓝牙连接等。而对于 5G 信号的放大,该设备可以减少 5G 基站的数量并节约建设成本。这项工作展示了一种独特的构建纳米生物技术在生物电力中的应用途径,并提供了另一种方式来利用 PMFCs 的能源。

研究介绍

        近年来,第五代移动通信 5G 系统,已经成为通信行业和学术界的热门话题。5G 的发展有两个主要驱动力:一方面,第四代移动通信——4G,已经完全商业化,而对下一代技术的讨论已被提上议程;另一方面,对移动数据的需求也呈爆炸式增长,到2020年,移动通信网络的容量要求预计将比现有网络容量增加1000倍。

        然而,移动数据流量的爆炸性增长将给电力消耗带来严峻的挑战。首先,5G 的频率网络高、传播距离短,势必需要更多基站来保证信号稳定。另外,5G 信号基站的建设成本非常高,是 4G 基站的数倍之多。要解决上述挑战,满足日益增长的移动流量需求,迫切需要基于绿色能源开发新一代的 5G 移动通信网络。此外,农村地区和草原地区有丰富的植物资源中,可有效降低运营能源成本。

        石墨烯量子点有助于土壤中有机物氧化还原过程中的电荷交换。如果将这个过程集成到外部电路中并加以控制,就可以产生清洁的、取之不尽用之不竭的能源。然而,目前植物电池能量的利用率还很低。与其他利用有机物质生产能力的现有技术相比,植物微生物燃料电池(PMFCs)在操作和功能上具有优势。它直接将基材转化为电能,保证了基材较高的安全性和能量转换率。此外,不同于目前所有的生物能源处理,PMFCs 可以在常温条件下有效运行,且不需要废气处理,因为产生的气体的主要成分是二氧化碳,其在正常情况下不能用于重复利用能源。更重要的是,PMFCs 不需要输入大量的电能,因为如果单室 PMFCs 只需要通风,它可以被动地补充阴极气体。在缺乏电力基础设施的地区,植物燃料电池具有广泛应用的潜力,同时也丰富了燃料多样性。

研究总结

        我们通过石墨烯量子点提高了用于增强 WIFI 及 5G 信号的植物发电的效率。作为一种应用生物技术研究,基于石墨烯量子点的植物发电因其广阔的适用性和成本低表现出不可限量的前景,它在一定程度上减轻了电压压力,既经济又环保。

        通过建立 WIFI 信号解决方案和 5G 信号放大装置,我们实现了石墨烯量子点促进植物发电的超低功耗,增加了信号覆盖率,从而利用自然能源。有了这些能力,基于石墨烯量子点促进的植物发电为利用纳米技术减轻能源压力、建设环境友好型社会提供了另一种思路。

作者介绍

        徐曜,博士研究生,目前他的主要研究方向是人工智能在材料交叉学科中的应用。

        陆一骅,从事材料理论计算和物性研究十余年,对石墨烯、过渡金属硫化物、黑磷等材料中的力学、光学和磁学等微观过程有深刻认识。目前她致力于用人工智能赋能新材料预测,加速新材料的发现。

        朱熹,论文通讯作者,香港中文大学(深圳)助理教授,深圳市人工智能与机器人研究院(AIRS)普适人工智能应用研究中心副主任。目前他的研究方向是人工智能技术在材料科学尤其是新能源领域中的应用,领导团队开发了基于智能机器人技术的加速新材料发现的 MAOS 系统,实现材料的“按需合成”,促进材料科学在AI时代的新发展。

论文地址:https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acssuschemeng.0c08453