化學系曲良體教授團隊實現(xiàn)異質(zhì)膜濕氣發(fā)電（MEG）和千伏的集成電壓輸出
近日，清華大學化學系曲良體教授和程虎虎博士團隊開發(fā)了一種異質(zhì)膜濕氣發(fā)電材料和器件（Moisture-enabled electric generator, MEG），能夠利用空氣中水汽直接產(chǎn)生電能，實現(xiàn)了低濕度環(huán)境下的高電壓產(chǎn)出，集成MEG成功輸出上千伏電壓，為新型清潔能源的開發(fā)和社會的可持續(xù)發(fā)展提供了新的能量轉(zhuǎn)化利用思路。該成果近期發(fā)表于《自然 納米技術(shù)》(Nature Nanotechnology)，題為“異質(zhì)膜濕氣發(fā)電實現(xiàn)千伏電壓集成輸出”(Bilayer of polyelectrolyte films for spontaneous power generation in air up to an integrated 1,000?V output)。
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圖1. 濕氣發(fā)電器件吸收濕氣產(chǎn)電的概念圖
由于全球變暖和巨大的電能需求，將綠色環(huán)境能源轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電技術(shù)成為研究熱點。濕氣發(fā)電（Moisture-enabled electric generator, MEG）是一種利用空氣中的水汽進行發(fā)電的新型環(huán)境能源轉(zhuǎn)化和利用策略。由于空氣中水汽無處不在和清潔無污染的發(fā)電過程，濕氣發(fā)電研究具有重要的科學意義和應用價值。然而，在相對低濕度25% RH 的大氣環(huán)境下，目前報導的濕氣發(fā)電器件提供的開路電壓普遍低于0.2 V。另外，濕氣發(fā)電器件的規(guī)模集成和應用也是目前研究的難點。
本工作采用雙層聚電解質(zhì)膜（BPF）作為發(fā)電材料，構(gòu)筑了一種異質(zhì)的濕氣發(fā)電器件（HMEG）。HMEG能夠自發(fā)吸收環(huán)境空氣中的水汽，形成帶電的可遷移離子（H+和Cl-）的異質(zhì)分布和定向擴散，在相對低濕度25% RH（25 oC）的大氣環(huán)境下可以長時間產(chǎn)生0.95 V的電壓，在85% RH下電壓可達1.38 V。
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圖2.（a）HMEG濕氣發(fā)電過程示意圖；（b）單個HMEG結(jié)構(gòu)示意圖和電壓輸出
研究人員進一步借助激光加工技術(shù)提出了一種錯位有序堆疊策略，實現(xiàn)了HMEG的大規(guī)模集成。上千個HMEG器件的集成不僅可以輸出千伏的電壓輸出，將產(chǎn)生的電能存儲到電容器或電池中，可以給商用電子設(shè)備供電（比如10 W燈泡和電子墨水屏等），還可以作為柵壓驅(qū)動場效應晶體管。此外，研究人員還構(gòu)建了可以高度折疊收縮的HMEG，體積僅為0.5×0.5×9.2 cm3的集成器件可以產(chǎn)生高達百伏的電壓輸出。
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圖3. 大規(guī)模集成HMEG器件的產(chǎn)電輸出和給燈泡供電應用展示
本文研究成果第一作者為化學系博士研究生王海燕，合作者為清華大學微電子所謝丹副教授團隊和北京大學張艷鋒研究員團隊。本工作依托清華大學有機光電子與分子工程教育部重點實驗室和摩擦學國家重點實驗室開展，獲得了國家科技部重點研發(fā)專項項目和國家自然科學基金委，清華大學自主科研計劃，清華-佛山先進制造研究院項目，國強研究院項目等項目的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41565-021-00903-6
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