清華大學曲良體教授團隊 AFM：3D打印高性能濕氣發(fā)電器件

來源：高分子科技

濕氣發(fā)電（Moist-electric generation）是一種新興的綠色能量收集技術，基于水與功能材料的相互作用（如吸附和脫附等），可以有效利用周圍環(huán)境中的水或濕氣，實現(xiàn)化學能到電能的高效轉(zhuǎn)化。通過界面調(diào)控、孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化、官能團修飾等方法，已開發(fā)出多種高性能濕氣發(fā)電材料，如氧化石墨烯，功能高分子，多孔納米線等，單個濕氣發(fā)電器件的性能也得到了顯著提升。然而，由于濕氣發(fā)電器件特殊的結(jié)構(gòu)要求：化學梯度結(jié)構(gòu)和多孔非對稱電極，器件制備過程面臨材料極化處理、非對稱結(jié)構(gòu)設計、以及多孔結(jié)構(gòu)加工等諸多挑戰(zhàn)，其大規(guī)模制備與多功能應用受到了極大限制。

為解決上述問題，清華大學曲良體教授團隊開發(fā)了全新的濕氣發(fā)電器件3D打印技術。通過對功能材料進行選擇性包覆和化學改性，構(gòu)建了一種全新的濕氣發(fā)電器件，進一步優(yōu)化各組分結(jié)構(gòu)，能夠?qū)�濕氣發(fā)電器件所有組成部件，包括電極，功能材料，連接導線，包覆層等，進行全組分3D打印，最終實現(xiàn)了濕氣發(fā)電器件的規(guī)�；�制備與系統(tǒng)集成。

圖1. 濕氣發(fā)電器件的結(jié)構(gòu)設計與輸出性能。

該工作采用酸摻雜的聚電解質(zhì)薄膜作為濕氣發(fā)電材料，通過構(gòu)建非對稱多孔電極對，利用環(huán)氧高分子作為選擇性包覆層，在材料厚度方向上構(gòu)建水合梯度。單個濕氣發(fā)電器件能夠自發(fā)地從周圍環(huán)境中吸收濕氣，產(chǎn)生0.8 V的輸出電壓和20 μA的輸出電流，最高輸出功率密度達到13 μW cm-2。

圖2.多梯度協(xié)同的濕氣發(fā)電機理。

通過原位拉曼光譜和固體核磁等實驗表征手段，發(fā)現(xiàn)聚電解質(zhì)薄膜厚度方向上存在顯著的水合梯度、離子濃度梯度和離子擴散梯度�；�于此，作者進一步提出了全新的多梯度協(xié)同作用機制，以解釋該聚電解質(zhì)材料中增強的濕氣發(fā)電行為。

圖3.聚電解質(zhì)材料與水分子相互作用的分子動力學模擬。

利用分子動力學模擬等方法，研究了該聚電解質(zhì)材料與水分子相互作用的動力學過程。結(jié)果表明，聚電解質(zhì)材料在不同水合程度下的離子電導率和離子擴散系數(shù)與水合程度緊密相關；水合程度越高，離子擴散越快，反之則越慢。

圖4.濕氣發(fā)電器件大規(guī)模制備與集成。

基于3D打印技術，在不同基底上，如硬質(zhì)玻璃和柔性PET等，實現(xiàn)了濕氣發(fā)電器件的規(guī)�；�制備與系統(tǒng)化集成。數(shù)百個3D打印的濕氣發(fā)電器件最高可以輸出超過180 V的電壓和1 mA的電流。進一步證明該3D打印方法的規(guī)模化制備能力。

圖5.濕氣發(fā)電器件的應用場景展示。

為展示該技術的實用性，作者設計了柔性濕氣發(fā)電器件和“水燈”裝置，利用人體呼吸和水自然蒸發(fā)產(chǎn)生的濕氣，為電子產(chǎn)品等供電，展現(xiàn)了濕氣發(fā)電技術廣闊的應用潛力。

3D打印濕氣發(fā)電技術具有圖案設計、材料制備及器件加工等多方面的優(yōu)勢，能夠有效實現(xiàn)大規(guī)模濕氣發(fā)電器件的制造與集成，有望與柔性電子技術相結(jié)合，在下一代新型綠色能源領域展現(xiàn)巨大的應用前景。相關成果以“Three-Dimensional Printing of High-Performance Moisture Power Generators”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials上。清華大學黃亞鑫博士為該工作的第一作者，曲良體教授為通訊作者。


原文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202308620