华南理工大学研发新型水凝胶湿气发电机，可为电子设备供电
华南理工大学研发新型水凝胶湿气发电机，可为电子设备供电
随着化石燃料消耗带来的能源危机和环境污染日益严重，可再生能源的研究成为全球关注的焦点。其中，环境湿气作为一种巨大的蓝色能量资源，具有广阔的应用前景。华南理工大学祁海松教授团队最近在《Chemical Engineering Journal》期刊上发表了一项重要研究成果，他们开发了一种基于硫酸酯化纳米纤维素的水凝胶湿气发电机（N-HMEG），为绿色能源的开发提供了新的思路。
如今，为了缓解化石燃料大量消耗所带来的能源危机和环境污染，对可再生能源(如太阳能、风能、水能等)的研究受到了广泛的关注和重视。水作为一种可循环利用的资源，不仅对生命至关重要，而且是地球上最大的能量载体、调节器和均衡器。环境湿气是一种巨大的不可见蓝色能量，在能量转换中具有广阔的应用前景。环境水分是一种巨大的不可见蓝色能量，在能量转换中具有广阔的应用前景。具有亲水性聚合物链的纤维素水凝胶由于其与水分子的独特相互作用，是湿气发电的理想材料之一。然而，由于缺乏高效的质子化效应和离子扩散，湿致电性能受到了限制。
针对以上问题，华南理工大学祁海松教授团队以硫酸酯化纤维素纳米纤丝（SCNF）和聚乙烯醇（PVA）为原料，采用甘油-水二元溶剂，研制了一种纳米纤维素基水凝胶湿气发电机（N-HMEG）。SCNF和甘油分别促进了水凝胶的离子扩散和吸湿性。在80%相对湿度（RH）下，最大开路电压为0.9 V，短路电流密度为92 μA cm−2。N-HMEG的显著性能可归因于非对称离子扩散和电极上氧化还原反应的协同作用。此外，N-HMEG的大规模集成可以很容易地实现，通过130个单元串联提供高达102 V的电压，可以为各种微型商业电子设备供电。本工作为湿气发电机的设计提供了一种有效的方法，为今后绿色电源的发展提供新的方案。
N-HMEG的设计与性能
采用SCNF和PVA在甘油-水二元溶剂中制备了均相水凝胶（图1）。在水凝胶骨架上，SCNF通过与PVA链上的羟基交联形成双网络结构。N-HMEG具有高度亲水性，能自发吸收水分。SCNF-PVA的亲水性聚合物网络和吸湿性甘油介质使水凝胶成为吸水和离子迁移的良好平台。由于防潮基底的存在，两侧的吸湿性变得不对称，然后自动形成水梯度，离子解离产生浓度差。PVA具有三维交联的亲水性聚合物网络，可以很好地吸收水分子。SCNF具有丰富的磺酸基，与水相互作用释放多种离子。一方面，水梯度诱导水凝胶内部的水和离子自上而下扩散。另一方面，在吸湿过程中，更多的磺酸基(Kpa≈1.6)被有效解离，释放出大量带正电的H3O+、H+(H2O)n和NH4+。同时，由于氧化还原反应，Cu2+不断从铜电极中释放出来，这些离子在水凝胶内部形成浓度梯度。随后，与离子耦合的水迁移产生电势。
图1. N-HMEG原理图及电性能。（a）具有非对称吸湿层的单个N-HMEG器件的结构图。（b）N-HMEG的工作原理。（c）PVA水凝胶与SCNF-PVA水凝胶的电压和电流密度比较。（d）用不同电极测量了NHMEG的电压和电流。（e）N-HMEG的机理示意图。
N-HMEG的潜在机理分析
N-HMEG是从空气中捕获水分的良好平台。它可以将气态水分转化为液态水，使离子解离并释放足够的化学势能。为了更深入、更全面地了解N-HMEG，可以利用原位FTIR光谱，2D-FTIR光谱，开尔文探针力学显微镜(KPFM)和拉曼光谱技术在分子水平上揭示其潜在的机理（图2）。在吸湿过程中，在水凝胶内部水分会优先形成自由水、团簇水，同时与聚合物基质中的亲水性基团形成中等或强氢键，然后形成H3O+、H+(H2O) n)、NH4+和Cu2+逐渐解离。由水梯度和离子浓度差的存在分别驱动水分子和离子的扩散。因此，利用快速的不对称离子输运和水梯度，N-HMEG产生稳定的电性能输出。
图2. N-HMEG的潜在机理分析。（a）在3900-2000 cm−1波段随时间变化的原位FTIR光谱。2D-FTIR相关光谱:(b)水凝胶的同步和(c)异步等高线图。（d）在1616-1300 cm−1波段随时间变化的原位FTIR光谱。2D-FTIR相关光谱:(e)水凝胶的同步和(f)异步等高线图。(g)不同水凝胶的KPFM电位。(h)不同水凝胶放大后的电化学阻抗谱。(i)通过二维拉曼映射得到水凝胶上下表面的水分扩散差。(j)水分诱导离子扩散机理。
N-HMEGs集成的自供电应用
基于水凝胶的可扩展性和灵活性，集成N-HMEG设备很容易应用于呼吸监测和自供电电子设备（图3）。此外，N-HMEG可以为自供电的可穿戴设备提供稳定的电源。随着弯曲角度从0°增加到135◦，检测电压保持在0.5 V或更高的稳定值，证明可以提供稳定的电源。N-HMEG显示了不同呼吸频率下的实时呼吸信号。与正常呼吸相比，深呼吸产生的电压反应较慢。因此，可以通过电信号的波形来区分不同的呼吸状况，这表明它有可能成为一种自供电的可穿戴设备，用于健康监测。
图3. 用于自供电可穿戴应用的集成N-HMEGs。（a）N-HMEGs驱动自供电电子器件原理图。（b）不同手指弯曲角度下记录的N-HMEG电压响应。（c）N-HMEG在初始、拉伸和扭转状态下的电压。慢呼吸模式(d)和正常呼吸模式(e)下N-HMEG作为自供电系统驱动的呼吸监测信号。（f）集成N-HMEGs的电源原理图。和集成的N-HMEGs分别收集湿气能量为（g）手表供电和（h）点亮LED。(i)由4个单元N-HMEGs为电子计算器供电。
总结
综上所述，将SCNF、PVA与吸湿甘油相结合，研制了一种纳米纤维素基水凝胶湿气发电机，提供的最大功率密度为24µW cm−2。原位FTIR和微拉曼光谱分析表明，水分诱导的不对称离子扩散和水梯度有助于提高电性能。结合其机理和实验结果，系统地阐述了水凝胶的工作原理。该工作为提高湿气发电性能提供了指导，将促进未来绿色电源的发展。
该研究以“Sulfated cellulose nanofibrils-based hydrogel moist-electric generator for energy harvesting”为题发表于Chemical Engineering Journal期刊。华南理工大学轻工科学与工程学院博士研究生莫济龙为第一作者，华南理工大学祁海松教授和武汉纺织大学朱坤坤副教授为共同通讯作者。
https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.152055
本文原文来自"生物质前沿"