摘要：第一作者：Fei Yu通讯作者：Xiaojuan Sun，Wei Lü，Xuesong Li通讯单位：中科院长春光机所，长春理工大学DOI: 10.1021/acsnano.4c14996
第一作者：Fei Yu
通讯作者：Xiaojuan Sun，Wei Lü，Xuesong Li
通讯单位：中科院长春光机所，长春理工大学
DOI: 10.1021/acsnano.4c14996
能源消耗和环境污染是人类面临的重要问题，开发和利用绿色可持续能源至关重要。最近，从自然水循环中收集能量引起了人们的极大关注。基于水和功能材料之间的相互作用，利用流动电势、拖动电势和波动电势发电，依赖于两者之间的相互影响。自2015年MEG首次报告以来，通过控制微观结构、引入聚电解质和增强外部电场，开路电压从0.035 mV增加到1.5 V。
在MEG中，潮湿空气中存在的气态水分子被聚合物的官能团吸附，如-OH、-COOH和-SO3H。这些相互作用有助于水分凝结成液体形式，从而释放化学能。当暴露在水分中时，聚合物官能团会吸引H2O并释放自由质子。同时，聚合物在潮湿环境中解离产生可移动离子。MEG利用不对称电极结构在聚合物内产生离子浓度梯度，从而在电极之间感应电流。聚合物材料，包括聚苯乙烯磺酸、聚丙烯酸、全氟磺酸树脂、聚多巴胺和聚吡咯，表现出优异的离子导电性。此外，由纤维素和蛋白质衍生的生物材料用于湿气发电。蛋白质材料，包括明胶、丝绸、丝胶蛋白和蛋白质纳米线，在产生水分能量方面也表现出了卓越的性能。此外，金属氧化物也被证明可以从水分中获取能量。尽管金属氧化物缺乏可解离的官能团，但它们的表面通常具有表面电荷，有助于形成纳米传输通道，从而增强水分子的扩散。MEG既可以用作电源，也可以用作独立的传感器。MEG可以串联或并联配置，以提高电输出。然后，收集的能量可以存储在储能单元中，为小型商业电子设备供电，包括LED灯泡、手表、计算器和显示屏。扩大MEG生产的常见方法包括丝网印刷和3D印刷。另一方面，湿气发生装置的发电信号与周围环境的湿度相关，因此将湿气发生装置用作自供电传感器表明了其在呼吸监测、出汗监测、生理监测、非接触式设备、电子皮肤、信息存储和环境监测中的应用潜力。此外，赋予MEG灵活性和可折叠性等特性可以促进其在可穿戴和便携式电子产品中的应用。在零下温度下，从乙二醇吸附中获得的水分会冻结，不可能解离大量的离子和质子。此外，在零下温度下，离子的动能会降低，从而降低它们的扩散系数。这会导致离子迁移速度减慢或停止，从而导致输出性能大幅降低或完全丧失。总之，实现有效的MEG需要克服以下三点：（1）耐低温性；（2） 大规模生产中的结构简单性和可扩展性；（3） 对各种电子设备和系统具有高度的灵活性和适应性。
本文亮点
1.本工作中湿气发电机（MEG）阵列是通过激光雕刻技术和调制低温水凝胶作为吸收材料开发的。LTH有效地捕获水分，即使在零下温度下也能保持离子解离和迁移。
22的电压，在-35°C和16%相对湿度下，可产生0.58 V和14.35 μA的电压。3. MEG实现了以下应用：MEG成功地在雪地中驱动电子设备；16个MEG的阵列可以为便携式电子设备供电，384个MEG可以实现高达210 V的电压；MEG吸收水中的水分，通过吹气驱动LED；MEG具有灵活的可穿戴特性；MEG用于呼吸监测和光电传感器。
图文解析
图2. MEG装置的电气输出性能。（a） 串联连接中MEG的输出电压。（b） 不同相对湿度条件（25°C）下MEG装置的电压和电流。（c） 不同温度（60%RH）下MEG阵列的电压和电流。（d） 乙二醇装置在22%RH和25°C下100小时的输出电压曲线。插图是一张MEG阵列的照片，其中包括8个单元设备。（e） 间歇性暴露在空气中的MEG电流曲线。（f） 通过设备表面的气流加速蒸发的电流输出。（g） MEG装置的CV曲线。（h） MEG单元器件的电压和电流密度随电阻的增加而增加。插图是测试电路的示意图。（i） MEG单元设备的功率密度随着负载的增加而增加。
图4. （a–d）-35°C雪中MEG驱动LED和电子手表的照片和红外温度分布。（e） 雪中MEG的红外热成像。（f，g）雪地中MEG的照片，测量电压和电流。（h） MEG在热电冷却器上驱动电子手表，而其旁边的液滴在2分钟后冻结。（i）MEG将LED倒置在水面上，LED缓慢点亮；（j） LED在黑暗环境中发光。（k） 停止并揉捏织物上的MEG，使其性能输出稳定。（l） 手腕上的MEG供电电子手表。
图5. （a） 掩模表面MEG的光学照片。（b） 呼吸诱导的脑电地形图I-t曲线。（c） 48个MEG阵列串联，形成大规模集成MEG。（d） MEG的电压输出超过209 V。（e）在串联MEG形成集成器件的过程中，电压逐渐增加。（f） 并联MEG设备以增加电流输出。（g） MEG电压随光变化曲线。（h） MEG传感器连接Arduino UNO。（i） MEG传感器连接Arduino UNO的照片。（j，k）MEG光传感器示意图。
来源：华算科技