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香港理工大學(xué)陶肖明教授團(tuán)隊(duì) Nat. Commun.：基于超分子水凝膠的綠色濕氣發(fā)電機(jī)，輸出電流可達(dá)65 mA
2024-04-22  來源：高分子科技

  濕氣發(fā)電機(jī) (MEG)已經(jīng)成為一種很有前途實(shí)現(xiàn)碳中和的綠色能源技術(shù)。近期，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)成功設(shè)計(jì)了一種基于超分子水凝膠的綠色濕氣發(fā)電機(jī)。這種綠色濕氣發(fā)電機(jī)不僅可以獲得高達(dá)0.11 mW cm?2功率密度，還能大規(guī)模的集成獲得65 mA的電能輸出，并成功的應(yīng)用到日常生活中。這種綠色濕氣發(fā)電機(jī)具有高性價(jià)比，高效可集成，柔性可穿戴等優(yōu)點(diǎn)，在物聯(lián)網(wǎng)和自供電的可穿戴電子系統(tǒng)等應(yīng)用領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景。相關(guān)工作以“Green moisture-electric generator based on supramolecular hydrogel with tens of milliamp electricity toward practical applications” 為題線上發(fā)表在最新一期《Nature Communications》。第一作者是港理大博士后楊素。



  綠色可持續(xù)能源對(duì)實(shí)現(xiàn)碳中和具有至關(guān)重要的作用。其中MEG的能量來源于大氣濕氣，具有來源取之不盡，可持續(xù)性，能量采集無限制性等優(yōu)點(diǎn)在眾多綠色可持續(xù)能源中脫穎而出。然而，由于電能輸出低，具有間歇性，及大規(guī)模集成受限等瓶頸問題，MEG想要作為直流電源實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用仍然存在挑戰(zhàn)。基于此，本工作采用超分子水凝膠作為綠色發(fā)電材料，利用其強(qiáng)的吸水能力及三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中保留的水梯度，構(gòu)建一種高效的直流濕氣發(fā)電機(jī)。與已報(bào)道的工作不同，這類綠色濕氣發(fā)電機(jī)不僅能量轉(zhuǎn)化過程中無污染物及有害氣體的產(chǎn)生，而且材料本身也完全環(huán)境友好 。 


圖1. a, 濕氣發(fā)電結(jié)構(gòu)及裝置；b, 單個(gè)MEG的開路電壓輸出；c, 單個(gè)MEG的負(fù)載電流輸出；負(fù)載電荷是1 k?; d, 報(bào)道的直流MEGs性能對(duì)比圖。


  圖1a展示了這類MEG的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。海藻酸鈣/鈉的引入不僅構(gòu)筑了egg-box的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，而且也是主要的可解離的離子來源。此外，其與水分子強(qiáng)的相互作用力也使MEG能夠自發(fā)吸收環(huán)境中的水汽形成非對(duì)稱的濕度梯度, 引發(fā)離子從高分子網(wǎng)絡(luò)中解離并擴(kuò)散，從而對(duì)外輸出電能。單個(gè)濕氣發(fā)電機(jī)可持續(xù)輸出開路電壓1.3 V約90 小時(shí)，負(fù)載電流0.25 mA約17小時(shí)(負(fù)載1 k?)。與已發(fā)表的直流濕氣發(fā)電機(jī)相比，該類MEG的短路電流密度（ca.1.31 mA cm?2）和最大功率密度（ca. 0.11 mW cm?2）處于遙遙領(lǐng)先水平。 


圖2. 集成的MEG器件的電壓和電流輸出性能。


  研究人員進(jìn)一步借助激光打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)MEG的高效大規(guī)模集成。擴(kuò)大化的短路電流首次實(shí)現(xiàn)一個(gè)數(shù)量級(jí)的突破，高達(dá)65 mA (圖2a)。不僅如此，擴(kuò)大化的集成電流及電壓都具有出色的線性擴(kuò)大性 (圖2b和2e)。為了進(jìn)一步證明放大電流的穩(wěn)定性，40個(gè)并聯(lián)集成的MEG在連接外部電阻33Ω時(shí)可提供約5.6mA的大電流，并且電流穩(wěn)定輸出超過24小時(shí)(圖2c和2f)。由于使用的集成方法高效簡(jiǎn)單，器件柔性可穿戴，使得這類新的MEG器件在便攜式可穿戴電子系統(tǒng)領(lǐng)域發(fā)揮巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。 


圖3.集成的MEG設(shè)備作為直流電源的應(yīng)用，包括自驅(qū)動(dòng)的可穿戴電子系統(tǒng)應(yīng)用，家用小型設(shè)備供電及自驅(qū)動(dòng)二極管應(yīng)用。


  得利于這類綠色MEG高效直流的電能輸出，集成擴(kuò)大的MEG器件可以直接用于許多可穿戴電子設(shè)備，甚至家用小型設(shè)備的供電器件，無需任何額外的整流電路和電容器。比如，一件整合了MEG的運(yùn)動(dòng)衣可以隨時(shí)隨地為智能手表充電（圖3a-c），從而使得智能手表可以擺脫笨重的充電器，就算在戶外也能保持長(zhǎng)時(shí)間工作。更可觀的是，一個(gè)2.5W的燈泡被一組10*24并聯(lián)*串聯(lián)集成的MEGs連續(xù)點(diǎn)亮(圖3d)。僅采用兩個(gè)串聯(lián)的MEGs, 就能使LCD時(shí)鐘穩(wěn)定運(yùn)行一個(gè)月(圖3e)。此外，MEG已成功地作為柵極電壓用于調(diào)制MOSFET(圖3f-h)。這些實(shí)際生活的應(yīng)用進(jìn)而印證MEG器件質(zhì)輕尺寸小，柔性可穿戴，且具有高功率輸出和可擴(kuò)大集成等優(yōu)點(diǎn)。為開發(fā)綠色、多用途和高效的物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴電子系統(tǒng)的電源開辟了全新的前景。


  總結(jié)：陶肖明教授團(tuán)隊(duì)制備了基于超分子水凝膠的綠色濕氣發(fā)電機(jī)，獲得高效可集成擴(kuò)大的輸出電能，并成功應(yīng)用在便攜式、可穿戴電子系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域中。推動(dòng)濕氣發(fā)電機(jī)在濕氣發(fā)電材料，集成技術(shù)和應(yīng)用方面的進(jìn)一步發(fā)展。團(tuán)隊(duì)目前正在更高效材料、發(fā)電原理模型、發(fā)電可持續(xù)可耦合，及規(guī)模工程集成技術(shù)等方面繼續(xù)相關(guān)工作。


  論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-47652-3

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