近年來(lái)，濕氣發(fā)電器（MEGs）因其綠色能源、體積小、制造工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。然而，在目前的報(bào)道中，導(dǎo)電性較差的碳黑顆粒常被用作發(fā)電層，而且其官能團(tuán)濃度梯度較小，這限制了輸出功率密度和工作時(shí)間。本文通過(guò)在石墨烯球體表面不對(duì)稱(chēng)沉積離子水凝膠，設(shè)計(jì)并制造了一種高性能的MEG。與碳黑顆粒相比，石墨烯球體具有更好的導(dǎo)電性。與片狀石墨烯相比，石墨烯球體提供更大的比表面積和更豐富的納米通道。吸濕性離子水凝膠可以捕捉水分，提供水環(huán)境（在98%RH時(shí)可以捕捉1.32mg cm
-2 h
-1的水分）。另一方面，離子也可以在離子濃度梯度下定向傳輸，以提高裝置的輸出性能。該裝置最終在98%RH下獲得了0.34V的開(kāi)路電壓和1μA的短路電流，即使運(yùn)行5小時(shí)后，電輸出也沒(méi)有明顯衰減。所設(shè)計(jì)的裝置不僅可以為小燈泡供電，還可以作為自供電的濕度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)濕度變化。
圖1. 通過(guò)CVD制備二氧化硅/石墨烯工藝的示意圖。
圖2. PVA/G/AP薄膜的制備過(guò)程示意圖。
圖3. SiO
2/石墨烯的制備和表征。(a) 石墨烯的制備示意圖。(b) SiO
2/石墨烯的TEM圖像。(c) SiO
2/石墨烯的SEM和EDS圖像。(d) SiO
2/石墨烯的拉曼光譜。(e) SiO
2/石墨烯的XPS圖。
圖4. 器件的制備和表征。(a) PVA + NaCl/G/AP膜的制備示意圖。(b) 濕氣發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。(c) PVA + NaCl/G/AP薄膜的光學(xué)圖像。(d) PVA + NaCl/G/AP薄膜的高分辨率SEM圖像。(e) 器件在高濕度（98% RH）下的開(kāi)路電壓。(f) 器件在高濕度（98%RH）下的短路電流。
圖5. 器件的性能分析。(a) 裝置的短路電流隨濕度變化。(b) 離子水凝膠成分對(duì)吸水率的影響。(c) 離子水凝膠成分對(duì)輸出信號(hào)的影響。(d) 離子濃度對(duì)設(shè)備輸出信號(hào)的影響。(e) 采用不同成分的離子水凝膠對(duì)裝置吸水率的變化。(f) 不同離子成分對(duì)裝置輸出性能的影響。(g) 向具有不同成分的薄膜的一端加水的示意圖。(h) 當(dāng)相同體積的去離子水被添加到不同成分的薄膜中時(shí)，輸出性能發(fā)生了變化。
圖6. 器件工作機(jī)制分析。(a) 濕度不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的示意圖。(b) 基于流動(dòng)電位原理的裝置示意圖。(c) 石墨烯表面的ζ電位測(cè)試。(d) 液滴位置差對(duì)裝置短路電流的影響。(e) 我們裝置的穩(wěn)定性與迄今為止報(bào)道的其他碳基濕氣發(fā)電裝置進(jìn)行了比較。
圖7. 器件應(yīng)用演示。(a) 器件的并聯(lián)電流。(b) 該裝置的串聯(lián)電壓。(c) 三個(gè)LED燈通過(guò)18個(gè)單元的串聯(lián)和并聯(lián)。(d) 該裝置作為濕度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境濕度的示意圖。(e) 不同濕度條件下相應(yīng)的短路電流變化。
相關(guān)研究成果由西南交通大學(xué)Tingting Yang和貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究所Mingyong Xin等人2023年發(fā)表在ACS Applied Nano Materials (https://doi.org/10.1021/acsanm.3c00314)上。原文：Hygroelectric Generator Based on Antisymmetric Modification of Graphene Spheres with Ionic Hydrogels。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
