西南交通大学Tingting Yang和贵州电网有限责任公司电力科学研究所–基于离子水凝胶对石墨烯球体的反对称修饰的水电发生器

近年来，湿气发电器（MEGs）因其绿色能源、体积小、制造工艺简单等优点而受到广泛关注。然而，在目前的报道中，导电性较差的碳黑颗粒常被用作发电层，而且其官能团浓度梯度较小，这限制了输出功率密度和工作时间。本文通过在石墨烯球体表面不对称沉积离子水凝胶，设计并制造了一种高性能的MEG。与碳黑颗粒相比，石墨烯球体具有更好的导电性。与片状石墨烯相比，石墨烯球体提供更大的比表面积和更丰富的纳米通道。吸湿性离子水凝胶可以捕捉水分，提供水环境（在98%RH时可以捕捉1.32mg cm^-2 h^-1的水分）。另一方面，离子也可以在离子浓度梯度下定向传输，以提高装置的输出性能。该装置最终在98%RH下获得了0.34V的开路电压和1μA的短路电流，即使运行5小时后，电输出也没有明显衰减。所设计的装置不仅可以为小灯泡供电，还可以作为自供电的湿度传感器，实时监测室内湿度变化。

图1. 通过CVD制备二氧化硅/石墨烯工艺的示意图。

图2. PVA/G/AP薄膜的制备过程示意图。

图3. SiO₂/石墨烯的制备和表征。(a) 石墨烯的制备示意图。(b) SiO₂/石墨烯的TEM图像。(c) SiO₂/石墨烯的SEM和EDS图像。(d) SiO₂/石墨烯的拉曼光谱。(e) SiO₂/石墨烯的XPS图。

图4. 器件的制备和表征。(a) PVA + NaCl/G/AP膜的制备示意图。(b) 湿气发电装置的结构示意图。(c) PVA + NaCl/G/AP薄膜的光学图像。(d) PVA + NaCl/G/AP薄膜的高分辨率SEM图像。(e) 器件在高湿度（98% RH）下的开路电压。(f) 器件在高湿度（98%RH）下的短路电流。

图5. 器件的性能分析。(a) 装置的短路电流随湿度变化。(b) 离子水凝胶成分对吸水率的影响。(c) 离子水凝胶成分对输出信号的影响。(d) 离子浓度对设备输出信号的影响。(e) 采用不同成分的离子水凝胶对装置吸水率的变化。(f) 不同离子成分对装置输出性能的影响。(g) 向具有不同成分的薄膜的一端加水的示意图。(h) 当相同体积的去离子水被添加到不同成分的薄膜中时，输出性能发生了变化。

图6. 器件工作机制分析。(a) 湿度不对称结构的示意图。(b) 基于流动电位原理的装置示意图。(c) 石墨烯表面的ζ电位测试。(d) 液滴位置差对装置短路电流的影响。(e) 我们装置的稳定性与迄今为止报道的其他碳基湿气发电装置进行了比较。

图7. 器件应用演示。(a) 器件的并联电流。(b) 该装置的串联电压。(c) 三个LED灯通过18个单元的串联和并联。(d) 该装置作为湿度传感器实时监测环境湿度的示意图。(e) 不同湿度条件下相应的短路电流变化。

相关研究成果由西南交通大学Tingting Yang和贵州电网有限责任公司电力科学研究所Mingyong Xin等人2023年发表在ACS Applied Nano Materials (https://doi.org/10.1021/acsanm.3c00314)上。原文：Hygroelectric Generator Based on Antisymmetric Modification of Graphene Spheres with Ionic Hydrogels。