成果简介
水伏特发电机（HGs）可直接从水流中获取可持续能源，因其成本效益高、环保以及为可穿戴电子设备供电的潜力而在全球范围内引起了极大的兴趣。然而，目前的水流发电机普遍存在离子选择性和电阻匹配性差的问题，导致输出电流较低，限制了其应用范围。本文， 北京航空航天大学陈华伟 教授团队在《Carbon》期刊发表名为“Graphene oxide and carbon black synergistic coated cotton fabric for enhancing energy harvesting from water droplets”的论文，研究提出了一种基于柔性棉织物的水伏特发生器（CFHG），通过连续使用炭黑（CB）和氧化石墨烯（GO）进行改性，实现了简单而有效的性能改进。
由于炭黑、氧化石墨烯和纤维网分别提高了电荷转移效率、离子选择性和快速毛细管流动，因此当暴露在水滴中时，可获得∼0.75 V 的可观开路电压（Voc）和∼8.7 μA 的短路电流（Isc）。实验结果表明，发电性能受多种因素的影响，包括 GO 的用量、阳离子大小、液体体积、极性和 pH 值，以及温度和湿度。此外，CF 基底的出色柔韧性和多孔性有助于实现非常规的串联或并联连接，为商用设备和可穿戴电子设备提供充足的电源。这项研究对于为下一代智能可穿戴电子设备设计多功能电源具有重要意义。
图文导读
图1.CFHG的制造和表面形态表征
图2.CFHG的发电性能
图 3.CFHG的模拟发电机制。
图4.影响CFHG发电性能的因素分析。
图5.CFHG设备的缩放和应用
小结
综上所述，本文展示了一种高性能的可穿戴 CFHG，这种 CFHG 是通过 CB 和 GO 相继改性的简单工艺制作而成的，可以从水滴中收集能量。得益于 CF 基底纵横交错的纤维所形成的复杂网络结构，水可以通过毛细管压力和水蒸发迅速输送到两个电极之间形成润湿梯度。此外，涂覆的 CB 纳米粒子和 GO 纳米片的协同效应分别提高了电荷转移效率和离子选择性。因此，在环境条件下，将 0.5 mL 去离子水滴在 CFHG 的一侧，可获得 ∼0.75 V 的可观 Voc 值、∼8.7 μA 的 Isc 值和 ∼1.4 μW 的最佳功率。CFHG 在机械变形时也表现出了极佳的电输出稳定性，在反复润湿到干燥的过程中也表现出了卓越的循环稳定性。
此外，还观察到 GO 的吸附量、阳离子大小、液体体积、溶剂极性和 pH 值与发电量有显著的相关性。相反，温度/湿度对输出电压的持续时间有影响，而不是其幅度。CF 基底固有的柔韧性和多孔性使 CFHG 可以通过订书钉轻松集成，从而以串联或并联方式取代传统方法，其输出的电力足以为商用 LED 设备和电子手表供电。这种用途广泛的集成 CFHG 可固定在服装上或佩戴在手腕上，以利用雨水能量为可穿戴电子产品供电。这项研究凸显了 CFHG 在自供电可穿戴技术方面的巨大潜力，并为设计和开发下一代柔性能源设备提供了新的见解。
文献：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.119008
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