清华大学曲良体教授团队 AFM：3D打印高性能湿气发电器件

2023-09-23 来源：高分子科技

湿气发电（Moist-electric generation）是一种新兴的绿色能量收集技术，基于水与功能材料的相互作用（如吸附和脱附等），可以有效利用周围环境中的水或湿气，实现化学能到电能的高效转化。通过界面调控、孔结构优化、官能团修饰等方法，已开发出多种高性能湿气发电材料，如氧化石墨烯，功能高分子，多孔纳米线等，单个湿气发电器件的性能也得到了显著提升。然而，由于湿气发电器件特殊的结构要求：化学梯度结构和多孔非对称电极，器件制备过程面临材料极化处理、非对称结构设计、以及多孔结构加工等诸多挑战，其大规模制备与多功能应用受到了极大限制。

为解决上述问题，清华大学曲良体教授团队开发了全新的湿气发电器件3D打印技术。通过对功能材料进行选择性包覆和化学改性，构建了一种全新的湿气发电器件，进一步优化各组分结构，能够对湿气发电器件所有组成部件，包括电极，功能材料，连接导线，包覆层等，进行全组分3D打印，最终实现了湿气发电器件的规模化制备与系统集成。

图1. 湿气发电器件的结构设计与输出性能。

该工作采用酸掺杂的聚电解质薄膜作为湿气发电材料，通过构建非对称多孔电极对，利用环氧高分子作为选择性包覆层，在材料厚度方向上构建水合梯度。单个湿气发电器件能够自发地从周围环境中吸收湿气，产生0.8 V的输出电压和20 μA的输出电流，最高输出功率密度达到13 μW cm^-2。

图2.多梯度协同的湿气发电机理。

通过原位拉曼光谱和固体核磁等实验表征手段，发现聚电解质薄膜厚度方向上存在显著的水合梯度、离子浓度梯度和离子扩散梯度。基于此，作者进一步提出了全新的多梯度协同作用机制，以解释该聚电解质材料中增强的湿气发电行为。

图3.聚电解质材料与水分子相互作用的分子动力学模拟。

利用分子动力学模拟等方法，研究了该聚电解质材料与水分子相互作用的动力学过程。结果表明，聚电解质材料在不同水合程度下的离子电导率和离子扩散系数与水合程度紧密相关；水合程度越高，离子扩散越快，反之则越慢。

图4.湿气发电器件大规模制备与集成。

基于3D打印技术，在不同基底上，如硬质玻璃和柔性PET等，实现了湿气发电器件的规模化制备与系统化集成。数百个3D打印的湿气发电器件最高可以输出超过180 V的电压和1 mA的电流。进一步证明该3D打印方法的规模化制备能力。

图5.湿气发电器件的应用场景展示。

为展示该技术的实用性，作者设计了柔性湿气发电器件和“水灯”装置，利用人体呼吸和水自然蒸发产生的湿气，为电子产品等供电，展现了湿气发电技术广阔的应用潜力。

3D打印湿气发电技术具有图案设计、材料制备及器件加工等多方面的优势，能够有效实现大规模湿气发电器件的制造与集成，有望与柔性电子技术相结合，在下一代新型绿色能源领域展现巨大的应用前景。相关成果以“Three-Dimensional Printing of High-Performance Moisture Power Generators”为题发表在Advanced Functional Materials上。清华大学黄亚鑫博士为该工作的第一作者，曲良体教授为通讯作者。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202308620

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（责任编辑：xu）

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