一种具有自持续长期发电能力和高能量密度的湿气发电器件

陈洁，张学忠，程敏涵，李千阳，赵率江，张茂，傅强，邓华*

在全球能源结构加速向可持续转型的当下，对可持续能源解决方案的需求日益增长，有力推动了可再生能源研究的重大进展，涵盖生物质、太阳能、风能等多个领域。水，作为一种储量丰富、易于获取的可再生且环境友好的能源资源，受到人们广泛关注，有望成为潜在的电力来源。传统发电系统多依赖水的宏观活动，利用水的势能或动能实现向电能的转化。但这在地理条件、季节性气候以及设备规模等方面存在较大限制，极大地阻碍了其在微型化场景和实际应用中的推广。因此，探索全新的水利用方式迫在眉睫。纳米技术的迅猛发展为从水分子中获取电能带来了新契机。通过水分子的不同形态（如水滴、蒸汽等）与活性材料相互作用，能够将环境中的湿气转化为电能，这一过程即湿气发电（MEG）。MEG提供了绿色、可再生且便携的能源解决方案，在小型电子设备供电和传感应用领域极具发展前景。

在这项研究中，我们展示了一种具有双层结构的自持续、高性能输出的MEG。下层由GO和碳纳米管（CNTs）共同作用的水凝胶组成，而上层由垂直取向的气凝胶组成，活性材料为吡咯改性的氧化石墨烯（PGO）。这种特殊的结构设计使得该MEG具有双重梯度结构，即离子密度梯度和相对湿度梯度。气-水凝胶中不同种类和数量的官能团形成了-23到+22.2 mV的高渐变离子密度梯度，能有效地促进载流子的扩散。而气凝胶与水凝胶存在本征的相对湿度梯度，由于毛管作用，使得离子盐和H⁺能随水分的扩散通过垂直取向的多孔PGO气凝胶，以实现连续的电力生成。值得注意的是，该MEG能够在不需要外部水源的情况下维持长达16天的自持续发电。此外，当提供额外的水分时，该MEG的连续运行时间可延长至45天，与现有MEG相比，耐用性提升显著。性能方面，该MEG实现了高达1695 μA的短路电流与809.2 μW·h·cm^-2的能量密度，超越了当前文献报道水平。此外，此MEG在环境感应及为低功率设备供电方面展现出潜在应用价值，为制备具备自持续长期电力生成能力与高能量密度的MEG，提供了一种有效途径。

图1.制备过程示意图

图2. PGO的各项表征

图3. MEG的性能与结构及组成的关系

图4. MEG的发电原理及表征

图5. MEG的应用表现

相关成果以“A self-sustained moist-electric generator with enhanced energy density and longevity through a bilayer approach”发表在Materials Horizons（DOI: 10.1039/d4mh01642d），文章第一作者是四川大学高分子科学与工程学院硕士研究生陈洁，通讯作者为四川大学高分子科学与工程学院邓华教授，该研究得到国家自然科学基金委的资金支持。