隨著人類社會的快速發展，探索綠色、清潔、可持續的能源問題日益突出，引起了廣泛關注。濕氣發電機從水分中獲取清潔和可持續的能源，為實現清潔可持續能源提供了新的解決方案。然而，目前的研究主要集中在提高功率輸出上，很少關注器件的設計原理。因此，開發有效的方法來實現自發持續的電力輸出，促進其在可穿戴電子設備中的應用非常重要。
鑒于此，東華大學東華大學覃小紅教授&王黎明教授利用靜電紡絲技術，研制了一種電容式濕氣發電機。作者受雙層電容的啟發，提出了一種利用一對電荷不同的電極和負載電解質的納米纖維膜，設計濕氣發電機的新策略。所組裝的發電機可同時實現0.7 V的電壓和3 μA的電流持續輸出120小時，且在較寬的濕度范圍內(35%-95%)對濕度響應保持敏感，無明顯減弱，達到現有濕氣發電機中最高水平（圖1e）。
電容式濕氣發電機離子擴散力的研究(CMEG)起源于帶電電極對釋放離子的吸附，這與之前報道的設備不同。這種新型發電機可以直接為電子設備供電，在呼吸監測和觸摸傳感等方面取得了良好的應用效果。這種低成本、易于制作、透氣性好的電容式濕氣發電機(CMEG)為設計未來的濕氣發電機提供了新的途徑，促進了綠色和可持續發電的發展。相關研究成果以“Capacitor-inspired high-performance and durable moist-electric generator ”為題目發表于期刊《Energy & Environmental Science》( IF 39.714 )。
圖1 (a)典型雙層電電容方案圖(左)，CMEG方案圖(右)。(b)靜電紡絲工藝方案圖及結構CMEG。(c)經過120小時長期試驗(25℃，RH95%)。(d) CMEG應用方案圖。(e)與其他長期(10000 s以上)MEG相比的電壓和電流輸出。
靜電紡絲納米纖維織物的制備
1、將聚丙烯腈(PAN Mw~ 85000)和十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMF, 99%)中制備紡絲溶液PAN/SDBS。以同樣的方法制備PAN和十二烷基三甲基溴化銨(DTAB)紡絲溶液。PAN/SDBS (DTAB)共混體系在溶液中的含量為12%。
2、將得到的PAN/SDBS (DTAB) 溶液裝入10 mL注射器中，流速隨濃度的增加而減小（0.8-0.4 mL h-1 )。外加電壓和收集距離分別保持在 16 kV 和 15 cm。將靜電紡絲過程的溫度和相對濕度(RH)分別控制在25±3℃和35±5%。
3、最后將得到的PAN/SDBS和PAN/DTAB納米纖維織物在50℃下真空干燥12 h，以去除殘留溶劑和水分，并避免與水接觸，進行長期試驗。此外，在進行短期試驗前，將制備的薄膜置于高濕環境中平衡吸水性。
圖2 (a)摻雜不同種類電解質的FTIR結果。(b, c)納米纖維膜中摻雜不同電解質時CMEG的電流和電壓輸出，在鋅和ITO電極體系(RH 80%)下測試。(d, e)在陰離子(SDBS)電解質體系(RH 80%)下，CMEG在應用不同類型電極時的電壓和電流輸出。(f)摻雜不同陰離子電解質含量 (RH 80%)時的CMEG電流輸出。(g)在摻雜25%陰離子電解質(RH 80%)的情況下電流輸出，應用不同厚度的靜電紡絲膜進行CMEG測試。(h, i) CMEG在不同相對濕度下的電流和電壓輸出。
離子梯度增強CMEG的制備
濕氣發電機為夾層結構，中間層用靜電紡絲納米纖維膜切成小片(~1.5 × 1.5 cm2)，頂部和底部電極由鋅(或Al或ITO，視需要而定)和ITO玻璃制成。在電極頂部穿16個直徑1.5 mm的小孔(~1.5 × 1.5 cm2)引入水分。上下電極用導電銅線連接。
圖3 (a-c) CMEG發電原理示意圖。(d)潮濕環境(RH=95%)下PAN/SDBS(25%)納米纖維膜與PAN/SDBS(25%)膜的含水量變化差異。(e)在掃描速率為30 mV s?1的條件下，干燥裝置在不同時間暴露于潮濕環境(RH=95%)后的CV曲線。(f)掃描速率為10-50 mV s-1時的CV曲線。(g-i)穩態下PAN/SDBS膜沿厚度方向相關模擬離子分布的數值模擬。電極表面離子的離子濃度 (g) 和納米纖維膜上的分布 Na+ (h) 和 (i) R-SO3-。
CMEG的自發持續供電性能
多個CMEG可以串聯或并聯供電，這對實際應用具有重要意義。圖 4a 和 4b 清楚地表明，CMEG 的輸出電壓和電流輸出可以通過分別增加串聯或并聯連接的數量來線性增強。5個CMEG串聯組合可實現3.6V左右的電壓，5個器件并聯時，可獲得約12μA的短路電流輸出。CMEG 提供的電力可以存儲在商用電容器中，無需額外的整流器。如圖 4c 所示，4 個并聯的 CMEG 在 800 秒內將 2.2 μF 電容器充電至 0.5 V。此外，一個小型數字計算器可以通過連接六個 CMEG 直接供電（圖 4d）。此外，當在 95% 的濕度下連接商用電容器和 CMEG 陣列時，可以為 LED（1.8 V）供電以發出綠光（圖 4e）。
圖4 CMEG的輸出電壓和電流(a)串聯，(b)并聯。(c)三個器件并聯給一個電容充電的電壓-時間曲線。(d)連接一臺計算器的六個裝置的照片。(e)通過CMEG并聯串聯充電的電容器點亮綠色LED的照片。(f)放置在草地上的單個設備電壓輸出照片。(g)呼氣時設備的電流輸出信號。(h)用于正常呼吸、快速呼吸、深呼吸監測時設備的電流輸出信號。(i)手指觸摸設備時的電流輸出信號。
CMEG作為自供電裝置，用于多種濕度環境
如圖4f所示，當水分來源來自草地時，可產生0.72 V的電壓輸出。同時，當濕氣來源來自人體時，該裝置也具有較高的靈敏度。如圖4g所示，用嘴吹該器件可以產生2 μA的電流輸出，這表明其在修復監測方面的潛在應用。因此，當將該設備集成到面罩中時，CMEG 會顯示不同呼吸條件下的實時呼吸信號（圖 4h）。與正常呼吸相比，快速呼吸會產生更高更快的電流響應。另一方面，深呼吸會產生最高的電流響應，但速度較慢。
此外，得益于靜電紡絲納米纖維膜的多孔結構，它還具有良好的空氣過濾性能，過濾效率達到99%。接觸響應的演示如圖 4i 所示；一旦手指接觸到設備，皮膚表面的汗水會通過頂部多孔電極滲入納米纖維薄膜，使納米纖維和底部電極釋放的離子帶電，因此電流輸出急劇增加到~2 μA。當手指移開時，沒有水分供應就無法發電，顯示了觸摸感應的潛在應用。
小結
綜上所述，通過一對不同電荷的電極和負載電解質的納米纖維薄膜，設計了一種電容啟發的濕氣發電機。組裝后的發電機可在120小時內同時實現0.7 V和3 μA的持續電壓和電流輸出，且在寬濕度范圍（35%-95%）內保持對濕響應的敏感度，同時保持對濕響應的敏感度，達到現有濕氣發電機的最高水平。令人印象深刻的是，與以往設備不同的是，電容濕電發生器的離子擴散力來自于帶電電極對釋放離子的吸附，不需要建立梯度。
這種新型發電機成功實現了直接為電子設備供電，其保留的水分響應能力使其能夠在呼吸監測和觸摸傳感中實際應用，這在以前的自發持續MEG 中是前所未有的。因此，本研究為未來 MEG 的設計提供了新見解，為經濟高效的 MEG 在自供電傳感器中的實際應用鋪平了道路。
論文鏈接：https://doi.org/10.1039/D2EE02046G
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