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  近日，香港理工大學(xué)智能可穿戴系統(tǒng)研究院陶肖明教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種凝膠型的濕氣發(fā)電機(jī) (moisture-electric generator, MEG)，能夠高效收集空氣中的水汽直接轉(zhuǎn)換成電能，實(shí)現(xiàn)了高效的電流密度和能量產(chǎn)出。這種新型的離子凝膠濕氣發(fā)電機(jī)不僅可以穩(wěn)定發(fā)電超過(guò)1000小時(shí)，還能大規(guī)模的集成獲得210V和7mA的電能輸出，并成功的為商用微電子設(shè)備供電。這種凝膠濕氣發(fā)電機(jī)制備工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，可實(shí)現(xiàn)柔性集成，在物聯(lián)網(wǎng)和自供電的可穿戴電子系統(tǒng)等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。相關(guān)工作以“Ionic Hydrogel for Efficient and Scalable Moisture-Electric Generation”為題線(xiàn)上發(fā)表在最新一期的《Advanced Materials》。第一作者是博士生畢業(yè)生楊素。

圖1. (a) 濕氣發(fā)電裝置. (b) 非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)發(fā)電。(3) 單個(gè)IHMEG 電壓輸出。

  在全球資源短缺和碳中和的高度需求下，尋找簡(jiǎn)單高效的綠色能源轉(zhuǎn)換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)能源和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。MEG利用大氣環(huán)境濕氣中的能量直接產(chǎn)生電能，使用安全的材料、沒(méi)有污染物的產(chǎn)生和有害氣體的排放，是能源領(lǐng)域的一個(gè)新興的研究熱點(diǎn)。然而目前大多數(shù)的MEG輸出間歇性的電信號(hào)和低電流阻礙了實(shí)際應(yīng)用。另外，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成和應(yīng)用也是目前研究的瓶頸。

  本工作采用離子凝膠作為發(fā)電材料，利用凝膠高吸水和快速離子傳輸?shù)奶匦裕瑯?gòu)筑一種高效而穩(wěn)定的直流濕氣發(fā)電機(jī)(IHMEG)。IHMEG能夠自發(fā)吸收環(huán)境中的水汽形成非對(duì)稱(chēng)的濕度梯度，引發(fā)質(zhì)子從高分子網(wǎng)絡(luò)中解離并定向擴(kuò)散，在水凝膠網(wǎng)絡(luò)中形成離子濃度差從而對(duì)外輸出電能。單個(gè)濕氣發(fā)電機(jī)在開(kāi)放的室內(nèi)環(huán)境中可以穩(wěn)定輸出0.8V電壓超過(guò)1000小時(shí)(圖1)。

圖2. 集成的IHMEG器件電壓和電流輸出以及電容充電曲線(xiàn)。

圖3. 集成的IHMEG設(shè)備作為直流電源的應(yīng)用。

  根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，IHMEG單元可以根據(jù)需要任意串聯(lián)、并聯(lián)或組合，無(wú)需任何額外的整流電路和電容器，即可直接驅(qū)動(dòng)多種商用微電子產(chǎn)品。比如計(jì)算器，電子墨水屏，手表，LED燈陣列，也可以應(yīng)用于工業(yè)化的電鍍供電(圖3)。本工作研發(fā)的IHMEG可以在 10 - 85 %相對(duì)濕度， 零下24 – 零上60攝氏度范圍工作，具有高性?xún)r(jià)比、易于規(guī)模化制造和高功率輸出的特點(diǎn)，并可直接應(yīng)用于各種商業(yè)微電子設(shè)備，為開(kāi)發(fā)綠色、多用途和高效的物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴電子系統(tǒng)的電源開(kāi)辟了全新的前景。

  陶肖明研究團(tuán)隊(duì)充分利用水凝膠網(wǎng)絡(luò)的高吸水和和快速離子傳輸?shù)奶匦�，制備高效穩(wěn)定可集成的凝膠型濕氣發(fā)電機(jī)，可用于便攜式、可穿戴電子系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用中。在濕氣發(fā)電材料和應(yīng)用方面具有重大突破意義。團(tuán)隊(duì)目前正在更高效材料、發(fā)電原理模型、規(guī)模工程集成技術(shù)等方面繼續(xù)相關(guān)工作。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202200693