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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.3 Mechanistic diagram of the flow potential[3]
正文中引用本图/表的段落
流动电位/电流是指当液体通过多孔结构或微/纳米通道时, 液-固体界面产生的自由电荷迁移的电动力学现象, 也被用来解释部分 MEG 的发电机理. 当电解质溶液接触带有电荷的绝缘表面过程中主要受静电吸引和排斥力的影响. 溶液中带有与表面电荷相反的离子会靠近表面并形成一层紧密的吸附层, 而带有与表面电荷相同的离子则在更远的区域形成扩散层, 这两层共同构建了“双电层”的结构. 当外部力量作用于电解质溶液, 使其通过微通道(如多孔隔膜或毛细管)时, 这种定向流动会带动双电层中扩散层的带电荷粒子迁移. 这导致了溶液下游区域的电荷积累, 从而在上下游之间形成电位差, 即流动电位(图3)[3]. 同时, 带电荷粒子的运动不仅产生了电位差, 还会产生相应的电流, 称为流动电流. 2017年, Zhou等[6]制备了一种多孔碳纳米颗粒薄膜发电器件, 利用水蒸发过程中的毛细现象来驱动碳纳米颗粒间的相对运动, 从而在碳层中产生流动电位, 实现了高达1 V的电压输出.
Copyright 2018, the Royal Society of Chemistry. ...
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... 为了构建不对称官能团分布, 通常需要利用一些物理化学手段[5]先将材料处理成不对称的官能团分布, 而对于不易处理的材料, 则无计可施, 具有一定的局限性. ...
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... 流动电位/电流是指当液体通过多孔结构或微/纳米通道时, 液-固体界面产生的自由电荷迁移的电动力学现象, 也被用来解释部分 MEG 的发电机理. 当电解质溶液接触带有电荷的绝缘表面过程中主要受静电吸引和排斥力的影响. 溶液中带有与表面电荷相反的离子会靠近表面并形成一层紧密的吸附层, 而带有与表面电荷相同的离子则在更远的区域形成扩散层, 这两层共同构建了“双电层”的结构. 当外部力量作用于电解质溶液, 使其通过微通道(如多孔隔膜或毛细管)时, 这种定向流动会带动双电层中扩散层的带电荷粒子迁移. 这导致了溶液下游区域的电荷积累, 从而在上下游之间形成电位差, 即流动电位(图3)[3]. 同时, 带电荷粒子的运动不仅产生了电位差, 还会产生相应的电流, 称为流动电流. 2017年, Zhou等[6]制备了一种多孔碳纳米颗粒薄膜发电器件, 利用水蒸发过程中的毛细现象来驱动碳纳米颗粒间的相对运动, 从而在碳层中产生流动电位, 实现了高达1 V的电压输出. ...
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... 根据结构设计的不同, 湿气发电器件可分为三明治式[图4(A)][7]和平面式[图4(B)][8]. 三明治式湿气发电器件主要通过两片电极夹持中间吸湿层的方式来实现电能产生. 在早期研究中, 湿气发电器件大多采用三明治结构. 2015年, Qu等[2]以氧化石墨烯薄膜为产电活性层, 制备了三明治结构的湿气发电器件. 该器件能够提供约35 mV的开路电压输出, 功率密度达到4.2 mW/m2, 能量转换效率高达62%. 然而, 传统三明治型MEG往往需要复杂的材料预处理过程, 同时刚性硬质电极的使用导致严格且繁琐的器件组装和封装过程, 极大限制了器件的高效规模化集成和实际应用. 与传统的夹层式器件相比, 平面型器件的突出优点是易与其它电子器件进行有效的集成. 2023年, Qu等[8]开发了一种基于调制聚阳离子和聚阴离子墨水的全印刷平面湿气发电器件, 仅0.3 cm2的器件单元可产生高达1.1 V的开路电压以及2.6 μW/cm2的功率密度. 全印刷的MEG阵列不仅可为商用小型电子设备按需供电, 还可与柔性电路兼容集成, 显示了在便携式、 集成化自供电系统中的应用潜力. ...

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