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  利用大氣環(huán)境中水蒸發(fā)或濕氣中能量產(chǎn)生電能是近幾年能源領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，作為新型的綠色能源，其優(yōu)點(diǎn)是成本低廉、可大規(guī)模制備和無(wú)需額外機(jī)械能的輸入。經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展，水伏器件的功率密度已經(jīng)大幅度提升。2020年，蘇州大學(xué)FUNSOM研究院孫寶全教授課題組報(bào)道了一種新型的基于硅納米線陣列的水蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)的水伏器件，并取得了高于同類器件三個(gè)數(shù)量級(jí)的功率密度 （Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 2–9）。然而相較于其他可再生能源器件，目前的水伏發(fā)電器件仍存在輸出功率低的問(wèn)題。其中，電極處緩慢的水蒸發(fā)速率和低效的電荷收集是限制其輸出功率大小的兩個(gè)主要問(wèn)題。

圖1 基于仿生多級(jí)孔纖維織物電極的硅納米線水伏器件工作示意圖

  近日，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種使用仿生多級(jí)孔纖維織物作為上電極的硅納米線水伏器件，得益于該織物電極具有的有利于水分快速蒸發(fā)、有效電荷提取和快速電荷傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，該水伏器件可以持續(xù)輸出550 mV的開(kāi)路電壓，22 μA/cm²的短路電流密度和10 μW/cm²的功率密度 （如圖1），且該值高于文獻(xiàn)已報(bào)道的器件功率密度。

圖2 多級(jí)孔纖維織物電極工作機(jī)理示意圖

  該研究工作的創(chuàng)新點(diǎn)在于設(shè)計(jì)了一種由導(dǎo)電石墨/導(dǎo)電高分子（PEDOT:PSS）/織物組成的具有多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的仿生電極。受植物中天然維管束分層多支結(jié)構(gòu)啟發(fā)，該團(tuán)隊(duì)制備了一種兼具快速水蒸發(fā)和高效電荷傳輸特性的新型高分子電極，實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)電率的同時(shí)具有很好的透水（水蒸發(fā)速率快）作用，其中導(dǎo)電高分子PEDOT:PSS作為內(nèi)層（核），石墨作為外層（殼）。該多級(jí)孔織物電極由大尺寸孔道、微米孔及納米孔組成（如圖2）。經(jīng)BET吸附實(shí)驗(yàn)可以證明石墨層/導(dǎo)電高分子（PEDOT:PSS）具有較大的比表面積，因此提供了大量的汽化核和水存儲(chǔ)場(chǎng)所；而且微米孔和大尺寸孔提供了連續(xù)的毛細(xì)通道，有利于水分的快速輸運(yùn)和補(bǔ)充。此外，該織物電極的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是電荷的收集和傳輸分別在石墨層和PEDOT:PSS層中實(shí)現(xiàn)，高導(dǎo)電的PEDOT:PSS高分子層可以為電荷的快速傳輸提供橫向輸運(yùn)通道。

  經(jīng)過(guò)串聯(lián)連接，該水伏器件可以實(shí)現(xiàn)更大的功率輸出，且在為商用LED供電方面具有很大潛力（如圖3）。室溫條件下，4個(gè)水伏器件串聯(lián)連接即可點(diǎn)亮一個(gè)商用紅色LED，且該LED至少可以保持7小時(shí)的工作時(shí)間。此外，具有更大功率和閾值電壓需求的藍(lán)色和綠色LED可通過(guò)6個(gè)串聯(lián)連接的器件驅(qū)動(dòng)。因此，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，該水伏器件可持續(xù)輸出電能以滿足日常電子設(shè)備的供電需求。

圖3 硅納米線水伏器件在供電方面的潛在應(yīng)用

  該研究工作近期以“Bioinspired Hierarchical Nanofabric Electrode for Silicon Hydrovoltaic Device with Record Power Output”為題發(fā)表在ACS Nano上，論文通訊作者為王玉生博士后、李述湯院士和孫寶全教授，第一作者為邵貝貝博士。該課題組一直致力于新型硅基能源器件方面的研究，該工作為基于半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)新型能源器件提供了新的研究思路。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.1c00891

  導(dǎo)師介紹：

  孫寶全教授：http://web.suda.edu.cn/bqsun/