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近日，清華大學(xué)化學(xué)系曲良體教授和程虎虎博士團(tuán)隊(duì)開(kāi)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(shí)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(kāi)發(fā)和社會(huì)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(shí)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(diǎn)。濕氣發(fā)電（Moisture-enabled electric generator, MEG）是一種利用空氣中的水汽進(jìn)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(wú)處不在和清潔無(wú)污染的發(fā)電過(guò)程，濕氣發(fā)電研究具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。然而，在相對(duì)低濕度25% RH 的大氣環(huán)境下，目前報(bào)導(dǎo)的濕氣發(fā)電器件提供的開(kāi)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(yīng)用也是目前研究的難點(diǎn)。

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(kuò)散，在相對(duì)低濕度25% RH（25 ^oC）的大氣環(huán)境下可以長(zhǎng)時(shí)間產(chǎn)生0.95 V的電壓，在85% RH下電壓可達(dá)1.38 V。

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圖2.（a）HMEG濕氣發(fā)電過(guò)程示意圖；（b）單個(gè)HMEG結(jié)構(gòu)示意圖和電壓輸出

研究人員進(jìn)一步借助激光加工技術(shù)提出了一種錯(cuò)位有序堆疊策略，實(shí)現(xiàn)了HMEG的大規(guī)模集成。上千個(gè)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(chǔ)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(dòng)場(chǎng)效應(yīng)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(dá)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(yīng)用展示

本文研究成果第一作者為化學(xué)系博士研究生王海燕，合作者為清華大學(xué)微電子所謝丹副教授團(tuán)隊(duì)和北京大學(xué)張艷鋒研究員團(tuán)隊(duì)。本工作依托清華大學(xué)有機(jī)光電子與分子工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展，獲得了國(guó)家科技部重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金委，清華大學(xué)自主科研計(jì)劃，清華-佛山先進(jìn)制造研究院項(xiàng)目，國(guó)強(qiáng)研究院項(xiàng)目等項(xiàng)目的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41565-021-00903-6