近年來，濕氣發電器（MEGs）因其綠色能源、體積小、制造工藝簡單等優點而受到廣泛關注。然而，在目前的報道中，導電性較差的碳黑顆粒常被用作發電層，而且其官能團濃度梯度較小，這限制了輸出功率密度和工作時間。本文通過在石墨烯球體表面不對稱沉積離子水凝膠，設計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，提供水環境（在98%RH時可以捕捉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的開路電壓和1μA的短路電流，即使運行5小時后，電輸出也沒有明顯衰減。所設計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，實時監測室內濕度變化。
圖1. 通過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) 濕氣發電裝置的結構示意圖。(c) PVA + NaCl/G/AP薄膜的光學圖像。(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) 離子水凝膠成分對吸水率的影響。(c) 離子水凝膠成分對輸出信號的影響。(d) 離子濃度對設備輸出信號的影響。(e) 采用不同成分的離子水凝膠對裝置吸水率的變化。(f) 不同離子成分對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) 當相同體積的去離子水被添加到不同成分的薄膜中時，輸出性能發生了變化。
圖6. 器件工作機制分析。(a) 濕度不對稱結構的示意圖。(b) 基于流動電位原理的裝置示意圖。(c) 石墨烯表面的ζ電位測試。(d) 液滴位置差對裝置短路電流的影響。(e) 我們裝置的穩定性與迄今為止報道的其他碳基濕氣發電裝置進行了比較。
圖7. 器件應用演示。(a) 器件的并聯電流。(b) 該裝置的串聯電壓。(c) 三個LED燈通過18個單元的串聯和并聯。(d) 該裝置作為濕度傳感器實時監測環境濕度的示意圖。(e) 不同濕度條件下相應的短路電流變化。
相關研究成果由西南交通大學Tingting Yang和貴州電網有限責任公司電力科學研究所Mingyong Xin等人2023年發表在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。
轉自《石墨烯研究》公眾號
