随着人类社会的快速发展，探索绿色、清洁、可持续的能源问题日益突出，引起了广泛关注。湿气发电机从水分中获取清洁和可持续的能源，为实现清洁可持续能源提供了新的解决方案。然而，目前的研究主要集中在提高功率输出上，很少关注器件的设计原理。因此，开发有效的方法来实现自发持续的电力输出，促进其在可穿戴电子设备中的应用非常重要。
鉴于此，东华大学东华大学覃小红教授&王黎明教授利用静电纺丝技术，研制了一种电容式湿气发电机。作者受双层电容的启发，提出了一种利用一对电荷不同的电极和负载电解质的纳米纤维膜，设计湿气发电机的新策略。所组装的发电机可同时实现0.7 V的电压和3 μA的电流持续输出120小时，且在较宽的湿度范围内(35%-95%)对湿度响应保持敏感，无明显减弱，达到现有湿气发电机中最高水平（图1e）。
电容式湿气发电机离子扩散力的研究(CMEG)起源于带电电极对释放离子的吸附，这与之前报道的设备不同。这种新型发电机可以直接为电子设备供电，在呼吸监测和触摸传感等方面取得了良好的应用效果。这种低成本、易于制作、透气性好的电容式湿气发电机(CMEG)为设计未来的湿气发电机提供了新的途径，促进了绿色和可持续发电的发展。相关研究成果以“Capacitor-inspired high-performance and durable moist-electric generator ”为题目发表于期刊《Energy & Environmental Science》( IF 39.714 )。
图1 (a)典型双层电电容方案图(左)，CMEG方案图(右)。(b)静电纺丝工艺方案图及结构CMEG。(c)经过120小时长期试验(25℃，RH95%)。(d) CMEG应用方案图。(e)与其他长期(10000 s以上)MEG相比的电压和电流输出。
静电纺丝纳米纤维织物的制备
1、将聚丙烯腈(PAN Mw~ 85000)和十二烷基苯磺酸钠(SDBS)溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMF, 99%)中制备纺丝溶液PAN/SDBS。以同样的方法制备PAN和十二烷基三甲基溴化铵(DTAB)纺丝溶液。PAN/SDBS (DTAB)共混体系在溶液中的含量为12%。
2、将得到的PAN/SDBS (DTAB) 溶液装入10 mL注射器中，流速随浓度的增加而减小（0.8-0.4 mL h-1 )。外加电压和收集距离分别保持在 16 kV 和 15 cm。将静电纺丝过程的温度和相对湿度(RH)分别控制在25±3℃和35±5%。
3、最后将得到的PAN/SDBS和PAN/DTAB纳米纤维织物在50℃下真空干燥12 h，以去除残留溶剂和水分，并避免与水接触，进行长期试验。此外，在进行短期试验前，将制备的薄膜置于高湿环境中平衡吸水性。
图2 (a)掺杂不同种类电解质的FTIR结果。(b, c)纳米纤维膜中掺杂不同电解质时CMEG的电流和电压输出，在锌和ITO电极体系(RH 80%)下测试。(d, e)在阴离子(SDBS)电解质体系(RH 80%)下，CMEG在应用不同类型电极时的电压和电流输出。(f)掺杂不同阴离子电解质含量 (RH 80%)时的CMEG电流输出。(g)在掺杂25%阴离子电解质(RH 80%)的情况下电流输出，应用不同厚度的静电纺丝膜进行CMEG测试。(h, i) CMEG在不同相对湿度下的电流和电压输出。
离子梯度增强CMEG的制备
湿气发电机为夹层结构，中间层用静电纺丝纳米纤维膜切成小片(~1.5 × 1.5 cm2)，顶部和底部电极由锌(或Al或ITO，视需要而定)和ITO玻璃制成。在电极顶部穿16个直径1.5 mm的小孔(~1.5 × 1.5 cm2)引入水分。上下电极用导电铜线连接。
图3 (a-c) CMEG发电原理示意图。(d)潮湿环境(RH=95%)下PAN/SDBS(25%)纳米纤维膜与PAN/SDBS(25%)膜的含水量变化差异。(e)在扫描速率为30 mV s−1的条件下，干燥装置在不同时间暴露于潮湿环境(RH=95%)后的CV曲线。(f)扫描速率为10-50 mV s-1时的CV曲线。(g-i)稳态下PAN/SDBS膜沿厚度方向相关模拟离子分布的数值模拟。电极表面离子的离子浓度 (g) 和纳米纤维膜上的分布 Na+ (h) 和 (i) R-SO3-。
CMEG的自发持续供电性能
多个CMEG可以串联或并联供电，这对实际应用具有重要意义。图 4a 和 4b 清楚地表明，CMEG 的输出电压和电流输出可以通过分别增加串联或并联连接的数量来线性增强。5个CMEG串联组合可实现3.6V左右的电压，5个器件并联时，可获得约12μA的短路电流输出。CMEG 提供的电力可以存储在商用电容器中，无需额外的整流器。如图 4c 所示，4 个并联的 CMEG 在 800 秒内将 2.2 μF 电容器充电至 0.5 V。此外，一个小型数字计算器可以通过连接六个 CMEG 直接供电（图 4d）。此外，当在 95% 的湿度下连接商用电容器和 CMEG 阵列时，可以为 LED（1.8 V）供电以发出绿光（图 4e）。
图4 CMEG的输出电压和电流(a)串联，(b)并联。(c)三个器件并联给一个电容充电的电压-时间曲线。(d)连接一台计算器的六个装置的照片。(e)通过CMEG并联串联充电的电容器点亮绿色LED的照片。(f)放置在草地上的单个设备电压输出照片。(g)呼气时设备的电流输出信号。(h)用于正常呼吸、快速呼吸、深呼吸监测时设备的电流输出信号。(i)手指触摸设备时的电流输出信号。
CMEG作为自供电装置，用于多种湿度环境
如图4f所示，当水分来源来自草地时，可产生0.72 V的电压输出。同时，当湿气来源来自人体时，该装置也具有较高的灵敏度。如图4g所示，用嘴吹该器件可以产生2 μA的电流输出，这表明其在修复监测方面的潜在应用。因此，当将该设备集成到面罩中时，CMEG 会显示不同呼吸条件下的实时呼吸信号（图 4h）。与正常呼吸相比，快速呼吸会产生更高更快的电流响应。另一方面，深呼吸会产生最高的电流响应，但速度较慢。
此外，得益于静电纺丝纳米纤维膜的多孔结构，它还具有良好的空气过滤性能，过滤效率达到99%。接触响应的演示如图 4i 所示；一旦手指接触到设备，皮肤表面的汗水会通过顶部多孔电极渗入纳米纤维薄膜，使纳米纤维和底部电极释放的离子带电，因此电流输出急剧增加到~2 μA。当手指移开时，没有水分供应就无法发电，显示了触摸感应的潜在应用。
小结
综上所述，通过一对不同电荷的电极和负载电解质的纳米纤维薄膜，设计了一种电容启发的湿气发电机。组装后的发电机可在120小时内同时实现0.7 V和3 μA的持续电压和电流输出，且在宽湿度范围（35%-95%）内保持对湿响应的敏感度，同时保持对湿响应的敏感度，达到现有湿气发电机的最高水平。令人印象深刻的是，与以往设备不同的是，电容湿电发生器的离子扩散力来自于带电电极对释放离子的吸附，不需要建立梯度。
这种新型发电机成功实现了直接为电子设备供电，其保留的水分响应能力使其能够在呼吸监测和触摸传感中实际应用，这在以前的自发持续MEG 中是前所未有的。因此，本研究为未来 MEG 的设计提供了新见解，为经济高效的 MEG 在自供电传感器中的实际应用铺平了道路。
论文链接：https://doi.org/10.1039/D2EE02046G
