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香港理工大學陶肖明教授團隊 Nat. Commun.：基于超分子水凝膠的綠色濕氣發電機，輸出電流可達65 mA

2024-04-22 來源：高分子科技

濕氣發電機 (MEG)已經成為一種很有前途實現碳中和的綠色能源技術。近期，香港理工大學智能可穿戴系統研究院陶肖明教授團隊成功設計了一種基于超分子水凝膠的綠色濕氣發電機。這種綠色濕氣發電機不僅可以獲得高達0.11 mW cm^?²功率密度，還能大規模的集成獲得65 mA的電能輸出，并成功的應用到日常生活中。這種綠色濕氣發電機具有高性價比，高效可集成，柔性可穿戴等優點，在物聯網和自供電的可穿戴電子系統等應用領域具有極大的應用前景。相關工作以“Green moisture-electric generator based on supramolecular hydrogel with tens of milliamp electricity toward practical applications” 為題線上發表在最新一期《Nature Communications》。第一作者是港理大博士后楊素。

綠色可持續能源對實現碳中和具有至關重要的作用。其中MEG的能量來源于大氣濕氣，具有來源取之不盡，可持續性，能量采集無限制性等優點在眾多綠色可持續能源中脫穎而出。然而，由于電能輸出低，具有間歇性，及大規模集成受限等瓶頸問題，MEG想要作為直流電源實現實際應用仍然存在挑戰。基于此，本工作采用超分子水凝膠作為綠色發電材料，利用其強的吸水能力及三維網絡結構中保留的水梯度，構建一種高效的直流濕氣發電機。與已報道的工作不同，這類綠色濕氣發電機不僅能量轉化過程中無污染物及有害氣體的產生，而且材料本身也完全環境友好。

圖1. a, 濕氣發電結構及裝置；b, 單個MEG的開路電壓輸出；c, 單個MEG的負載電流輸出；負載電荷是1 k?; d, 報道的直流MEGs性能對比圖。

圖1a展示了這類MEG的結構設計。海藻酸鈣/鈉的引入不僅構筑了egg-box的交聯網絡，而且也是主要的可解離的離子來源。此外，其與水分子強的相互作用力也使MEG能夠自發吸收環境中的水汽形成非對稱的濕度梯度, 引發離子從高分子網絡中解離并擴散，從而對外輸出電能。單個濕氣發電機可持續輸出開路電壓1.3 V約90 小時，負載電流0.25 mA約17小時(負載1 k?)。與已發表的直流濕氣發電機相比，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。

研究人員進一步借助激光打印技術實現MEG的高效大規模集成。擴大化的短路電流首次實現一個數量級的突破，高達65 mA (圖2a)。不僅如此，擴大化的集成電流及電壓都具有出色的線性擴大性 (圖2b和2e)。為了進一步證明放大電流的穩定性，40個并聯集成的MEG在連接外部電阻33Ω時可提供約5.6mA的大電流，并且電流穩定輸出超過24小時(圖2c和2f)。由于使用的集成方法高效簡單，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領域發揮巨大的潛在應用價值。

圖3.集成的MEG設備作為直流電源的應用，包括自驅動的可穿戴電子系統應用，家用小型設備供電及自驅動二極管應用。

得利于這類綠色MEG高效直流的電能輸出，集成擴大的MEG器件可以直接用于許多可穿戴電子設備，甚至家用小型設備的供電器件，無需任何額外的整流電路和電容器。比如，一件整合了MEG的運動衣可以隨時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時間工作。更可觀的是，一個2.5W的燈泡被一組10*24并聯*串聯集成的MEGs連續點亮(圖3d)。僅采用兩個串聯的MEGs, 就能使LCD時鐘穩定運行一個月(圖3e)。此外，MEG已成功地作為柵極電壓用于調制MOSFET(圖3f-h)。這些實際生活的應用進而印證MEG器件質輕尺寸小，柔性可穿戴，且具有高功率輸出和可擴大集成等優點。為開發綠色、多用途和高效的物聯網和可穿戴電子系統的電源開辟了全新的前景。

總結：陶肖明教授團隊制備了基于超分子水凝膠的綠色濕氣發電機，獲得高效可集成擴大的輸出電能，并成功應用在便攜式、可穿戴電子系統和物聯網等領域中。推動濕氣發電機在濕氣發電材料，集成技術和應用方面的進一步發展。團隊目前正在更高效材料、發電原理模型、發電可持續可耦合，及規模工程集成技術等方面繼續相關工作。

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

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（責任編輯：xu）

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