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碳基湿气发电器件的研究进展
李奇军, 赵宏佳, 刘龙涛, 鹿春怡, 谈静
高等学校化学学报    2025, 46 (6): 20240413-.   DOI:10.7503/cjcu20240413
摘要   (413 HTML4 PDF(pc) (31544KB)(123)  

湿气发电是近年来兴起的一种新型能源转化方式, 它可以将大气环境湿气中的能量直接转化为电能, 且不会衍生任何污染物及有害气体. 得益于大气中无处不在的水汽和清洁无污染的发电过程, 这一发电技术适应性极宽, 不受时间、 地域及环境等自然条件限制, 因此“水汽发电”具有非常好的发展前景. 本文简单回顾了湿气发电技术的演进历程, 讨论了湿气与发电材料之间的相互作用机理, 主要包括离子梯度扩散和流动电势两个方面, 并对新型碳基吸湿层材料的种类、 特性及其优缺点进行了分析, 综合评述了湿气发电技术在最新应用领域的发展情况, 最后, 讨论了碳基湿气发电器件在应用中所面临的挑战和障碍, 并对未来该领域的研究方向进行了展望.



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Fig.2 Diagram of the mechanism of concentration gradient diffusion[3]
正文中引用本图/表的段落
湿气发电器件由一对惰性电极和带有丰富基团(如—OH, —COOH和—SO3H)吸湿材料层组成 (图2)[3]. 在一定的空气湿度下, 水分子将与吸湿材料层含氧官能团发生水合作用电离出大量的氢离子. 由于含氧官能团不对称分布, 官能团较多的一端会电离出更多的离子, 在浓度扩散作用力下, 离子将沿着浓度梯度由高浓度区域向低浓度区域迁移, 导致电荷不均衡分布, 最终形成电势差. 当电路连接时, 由于电势差的存在, 电子会从电压低的一侧流向电压高的一侧, 从而形成电流, 实现电能的输出. 2015年, Qu等[2]首次实现了氧化石墨烯(Graphene oxide, GO)材料的湿气发电. 他们首先将制备的氧化石墨烯压成片状, 并在两端施加电压, 使其形成梯度分布的含氧官能团. 然后利用氧化石墨烯的亲水性能, 在一定的湿度下, 水分子一方面可吸附在其表面形成离子输运通道, 另一方面使表面的含氧基团电离释放离子型载流子. 梯度分布的官能团引起浓度高载流子向低浓度的一端扩散, 从而在两端形成电压, 实现电能的输出.
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