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清華大學曲良體教授團隊 AFM：3D打印高性能濕氣發電器件

2023-09-23 來源：高分子科技

濕氣發電（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境中的水或濕氣，實現化學能到電能的高效轉化。通過界面調控、孔結構優化、官能團修飾等方法，已開發出多種高性能濕氣發電材料，如氧化石墨烯，功能高分子，多孔納米線等，單個濕氣發電器件的性能也得到了顯著提升。然而，由于濕氣發電器件特殊的結構要求：化學梯度結構和多孔非對稱電極，器件制備過程面臨材料極化處理、非對稱結構設計、以及多孔結構加工等諸多挑戰，其大規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了全新的濕氣發電器件3D打印技術。通過對功能材料進行選擇性包覆和化學改性，構建了一種全新的濕氣發電器件，進一步優化各組分結構，能夠對濕氣發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，最終實現了濕氣發電器件的規模化制備與系統集成。

圖1. 濕氣發電器件的結構設計與輸出性能。

該工作采用酸摻雜的聚電解質薄膜作為濕氣發電材料，通過構建非對稱多孔電極對，利用環氧高分子作為選擇性包覆層，在材料厚度方向上構建水合梯度。單個濕氣發電器件能夠自發地從周圍環境中吸收濕氣，產生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.多梯度協同的濕氣發電機理。

通過原位拉曼光譜和固體核磁等實驗表征手段，發現聚電解質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。基于此，作者進一步提出了全新的多梯度協同作用機制，以解釋該聚電解質材料中增強的濕氣發電行為。

圖3.聚電解質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，研究了該聚電解質材料與水分子相互作用的動力學過程。結果表明，聚電解質材料在不同水合程度下的離子電導率和離子擴散系數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.濕氣發電器件大規模制備與集成。

基于3D打印技術，在不同基底上，如硬質玻璃和柔性PET等，實現了濕氣發電器件的規模化制備與系統化集成。數百個3D打印的濕氣發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打印方法的規模化制備能力。

圖5.濕氣發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電器件和“水燈”裝置，利用人體呼吸和水自然蒸發產生的濕氣，為電子產品等供電，展現了濕氣發電技術廣闊的應用潛力。

3D打印濕氣發電技術具有圖案設計、材料制備及器件加工等多方面的優勢，能夠有效實現大規模濕氣發電器件的制造與集成，有望與柔性電子技術相結合，在下一代新型綠色能源領域展現巨大的應用前景。相關成果以“Three-Dimensional Printing of High-Performance Moisture Power Generators”為題發表在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

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（責任編輯：xu）

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