香港理工大学陶肖明教授团队Nature子刊：基于超高分子水凝胶的绿色湿气发电机

香港理工大学陶肖明教授团队Nature子刊：基于超高分子水凝胶的绿色湿气发电机

香港理工大学智能可穿戴系统研究院陶肖明教授团队在Nature子刊上发表最新研究成果，成功开发出一种基于超高分子水凝胶的绿色湿气发电机。这种发电机不仅具有高功率密度和大规模集成能力，还具有生物相容性、生物降解性等优点，为物联网和可穿戴电子设备提供了新的绿色能源解决方案。

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湿气发电机（MEG）已经成为一种很有前途实现碳中和的绿色能源技术。近期，香港理工大学智能可穿戴系统研究院陶肖明教授团队成功设计了一种基于超高分子水凝胶的绿色湿气发电机。这种绿色湿气发电机不仅可以获得高达0.11mW cm−2功率密度，还能大规模的集成获得65 mA的电能输出，并成功的应用到日常生活中。这种绿色湿气发电机具有高性价比，高效可集成，柔性可穿戴等优点，在物联网和自供电的可穿戴电子系统等应用领域具有极大的应用前景。

背景介绍

低碳技术在全球追求碳中和的过程中发挥着关键作用，可以通过使用清洁和可重复利用的能源来实现。新兴的湿度发电机（MEG）作为广泛的物联网（IoTs）和可穿戴设备的下一代电源，是一种有前途的绿色替代品。由于大气湿度的普遍存在， MEG在不受环境和地区限制的情况下具有不竭性、可持续性和便利性方面优势。在早期阶段，通过水梯度，由氧化石墨烯薄膜、石墨烯衍生物和二氧化钛制成的MEG产生了间歇性的电能。随后，具有丰富离子基团的亲水性聚合物膜以及具有纳米多孔结构的细菌蛋白纳米线展示了自发持续的电能。除了高功率输出外，开发绿色MEG对于寻找完全清洁、低碳和可持续的能源替代品至关重要。然而，以往的研究主要集中在电能输出性能上，而使用的材料，如静电纺丝纳米纤维和部分还原的氧化石墨烯，通常涉及复杂、耗能和昂贵的制造过程。因此，探索具有简单制备方法的绿色材料具有重要意义。此外大规模集成受限的瓶颈问题，让MEG想要作为直流电源实现实际应用仍然存在挑战。

研究内容

为了解决上述问题，研究团队精心设计了一种绿色MEG，通过引入聚乙烯醇（PVA）-海藻酸钠（AlgNa）基超分子水凝胶作为活性材料。PVA和AlgNa均具有生物相容性、生物降解性、易加工和低成本的优点。制备过程简单、高效且无污染。特别是，超分子水凝胶预期具有“快速吸收”水和“相对缓慢扩散”离子水团簇的特性。超分子水凝胶的“快速吸收”源自AlgNa的丰富水亲和位点，有助于离子解离和扩散。而“相对缓慢扩散”使其能够在附近捕获水，通过不对称吸湿有利于持续的电能输出。超出预期的是，单个MEG单元可以在开放环境中产生约1.30 V的持续直流电压超过90小时 (图1b)。更重要的是，当连接到1 kΩ的外部电阻时，MEG单元可以产生约0.25 mA的大电流输出，并持续输出约17小时 (图 1c)。此外，1 cm2尺寸的MEG 能产生优异的峰值功率密度为0.11 mW cm – 2 (图1d)。这种具有持续电能输出的直流 MEG是非常渴望的，它在现有的直流MEG中处于顶级水平。

图1. a, 湿气发电结构及装置；b, 单个MEG的开路电压输出；c, 单个MEG的负载电流输出；负载电荷是1 kΩ; d, 报道的直流MEGs性能对比图。

改进的吸湿能力可以使MEG具有足够的化学转化能量来触发大量离子扩散。图2a清楚的展示了增加的相对湿度可以提高MEG的输出电流。图2b和2c进一步显示富含离子官能团的MEG相比于PVA而言具有更强的吸水能力，以及更高的电流输出，从而进一步说明空气中的水汽是MEG的主要能源。通过DFT计算的相互作用区域指示器（IRI）进一步验证了聚合物与水之间的相互作用对MEG电能输出性能的重要作用。图2d-g显示了AlgCa/Na与H2O之间的显著吸引力，这是水汽吸收、捕获和离子解离的关键驱动力。因此，PVA-AlgNa基超分子水凝胶具有“快速吸收水”和“相对缓慢扩散”离子团簇的特性，有利于大量水汽吸收，水分子捕获，从而实现水梯度建立和大量的离子扩散。结合实验结果和DFT计算，强的吸湿能力、长期的水梯度以及触发的大量离子扩散与增强的离子导电性共同赋予这类新型的绿色MEG出色的电能输出。

图2. MEG的工作机制及密度泛函理论(DFT)计算。

研究人员进一步借助激光打印技术实现MEG的高效大规模集成。扩大化的短路电流首次实现一个数量级的突破，高达65 mA (图3a)。不仅如此，扩大化的集成电流及电压都具有出色的线性扩大性 (图3b和3e)。为了进一步证明放大电流的稳定性，40个并联集成的MEG在连接外部电阻33 Ω时可提供约5.6 mA的大电流，并且电流稳定输出超过24小时 (图3c和3f)。由于使用的集成方法高效简单，器件柔性可穿戴，使得这类新的MEG器件在便携式可穿戴电子系统领域发挥巨大的潜在应用价值。

图3. 集成的MEG器件的电压和电流输出性能。

得益于这类绿色MEG高效直流的电能输出，集成扩大的MEG器件可以直接用于许多可穿戴电子设备，甚至家用小型设备的供电器件，无需任何额外的整流电路和电容器。比如，一件整合了MEG的运动衣可以随时随地为智能手表充电（图4a-c），从而使得智能手表可以摆脱笨重的充电器，就算在户外也能保持长时间工作。更可观的是，一个2.5W的灯泡被一组1024并联串联集成的MEGs连续点亮(图4d)。仅采用两个串联的MEGs,就能使LCD时钟稳定运行一个月(图4e)。此外，MEG已成功地作为栅极电压用于调制MOSFET(图4f-h)。这些实际生活的应用进而印证MEG器件质轻尺寸小，柔性可穿戴，且具有高功率输出和可扩大集成等优点。为开发绿色、多用途和高效的物联网和可穿戴电子系统的电源开辟了全新的前景。

图4. 集成的MEG设备作为直流电源的应用，包括自驱动的可穿戴电子系统应用，家用小型设备供电及自驱动二极管应用。

总结与展望

本工作通过分子工程技术，以生态友好的 PVA-AlgNa 基超分子水凝胶为活性材料，成功研制出了具有高功率输出的绿色 MEG。仅在湿度和室温条件下，1 cm2的单个MEG器件就能达到极高的功率密度（约 0.11 mW cm-2）。此外，一个 9 cm2大小的 MEG 单元能够产生约 1.30 V 的 Voc和约 2.14 mA 的 Isc，显示出巨大的实际应用潜力。理论研究和实验结果充分证明，超分子水凝胶增强的吸水能力、保持的水梯度以及丰富的离子迁移赋予了 MEG 极佳的发电能力。值得注意的是，并联扩大的MEG 实现了前所未有的 65 mA 输出电流。正如预期的那样，扩大集成的 MEG 器件作为直流电源极大地促进了现实生活中的应用，如为智能手表充电、为家用灯泡照明、持续驱动液晶时钟等。这项工作为绿色、高性能 MEG 的蓬勃发展指明了方向，MEG 将成为广泛物联网应用和可穿戴应用的绿色可持续、多功能能源。

课题组介绍

香港理工大学智能可穿戴电子系统研究院院长陶肖明教授长期致力于可穿戴电子系统及其可穿戴能源采集的研究。目前已在Nature Sustainability, Nature communications, Advanced materials， Energy & Environmental Science， Progress in Polymer Science, Accounts of Chemical Research 等杂志发表论文640余篇，总被引20000余次，H因子84。