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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.5 Schematic diagram of the prototype chemical potential energy harvester(CPEh) based on g⁃3D⁃GO(A) and preparation of g⁃3D⁃GO by a three⁃step strategy of freeze⁃drying, tableting and polarization(B)[9]
(A, B) Copyright 2016, the Royal Society of Chemistry.
正文中引用本图/表的段落
2015年, Qu等[2]首次将GO材料应用于湿气发电领域, 通过对GO层两端施加电压, 使其形成梯度分布的含氧官能团, 实现了输出脉冲的电压为20 mV、 电流密度为5 μA/cm2的电能输出. 随后, 他们[9]对此器件进行了优化, 通过冷冻干燥技术制备了三维结构氧化石墨烯. 相比于之前的片状堆积, 三维氧化石墨结构具有孔洞大, 水分子容易自由通过, 因此制备的供电装置在性能上 有了极大的提高. 在75%的相对湿度(RH)下, 可输出260 mV的电压, 当将这些装置进行并联后, 可点亮小功率的LED灯[图5(A)和(B)]. 该研究团队进一步开发了异质结构的氧化石墨烯材料的制备方法, 通过界面设计辅助和调控内部载流子的输运行为, 首次将单个湿气发电器件的输出电压提高到1.5 V[10]. Ni等[11]以碳化木胞室(CWCC)为衬底, 设计并制备了高柔韧性、 可变形性的碳化木胞室-还原石墨烯oxide@PVA(CWCC-rGO@PVA)复合材料. 富含CWCC-rGO-PVA的羟基酸盐与周围环境中的水形成氢键, 在浓度梯度的作用下产生高达5.7 μA的电流. Chu等[12]通过盐酸酸化氧化石墨烯的含氧基团, 极大提高了MEGs器件的电力输出, 可实现0.85 V和92.8 μA/cm2的电能输出.
(A) Copyright 2021, the Royal Society of Chemistry; (B) Copyright 2023, Elsevier. ...
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... 2015年, Qu等[2]首次将GO材料应用于湿气发电领域, 通过对GO层两端施加电压, 使其形成梯度分布的含氧官能团, 实现了输出脉冲的电压为20 mV、 电流密度为5 μA/cm2的电能输出. 随后, 他们[9]对此器件进行了优化, 通过冷冻干燥技术制备了三维结构氧化石墨烯. 相比于之前的片状堆积, 三维氧化石墨结构具有孔洞大, 水分子容易自由通过, 因此制备的供电装置在性能上 有了极大的提高. 在75%的相对湿度(RH)下, 可输出260 mV的电压, 当将这些装置进行并联后, 可点亮小功率的LED灯[图5(A)和(B)]. 该研究团队进一步开发了异质结构的氧化石墨烯材料的制备方法, 通过界面设计辅助和调控内部载流子的输运行为, 首次将单个湿气发电器件的输出电压提高到1.5 V[10]. Ni等[11]以碳化木胞室(CWCC)为衬底, 设计并制备了高柔韧性、 可变形性的碳化木胞室-还原石墨烯oxide@PVA(CWCC-rGO@PVA)复合材料. 富含CWCC-rGO-PVA的羟基酸盐与周围环境中的水形成氢键, 在浓度梯度的作用下产生高达5.7 μA的电流. Chu等[12]通过盐酸酸化氧化石墨烯的含氧基团, 极大提高了MEGs器件的电力输出, 可实现0.85 V和92.8 μA/cm2的电能输出. ...

(A, B) Copyright 2016, the Royal Society of Chemistry. ...
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... 2015年, Qu等[2]首次将GO材料应用于湿气发电领域, 通过对GO层两端施加电压, 使其形成梯度分布的含氧官能团, 实现了输出脉冲的电压为20 mV、 电流密度为5 μA/cm2的电能输出. 随后, 他们[9]对此器件进行了优化, 通过冷冻干燥技术制备了三维结构氧化石墨烯. 相比于之前的片状堆积, 三维氧化石墨结构具有孔洞大, 水分子容易自由通过, 因此制备的供电装置在性能上 有了极大的提高. 在75%的相对湿度(RH)下, 可输出260 mV的电压, 当将这些装置进行并联后, 可点亮小功率的LED灯[图5(A)和(B)]. 该研究团队进一步开发了异质结构的氧化石墨烯材料的制备方法, 通过界面设计辅助和调控内部载流子的输运行为, 首次将单个湿气发电器件的输出电压提高到1.5 V[10]. Ni等[11]以碳化木胞室(CWCC)为衬底, 设计并制备了高柔韧性、 可变形性的碳化木胞室-还原石墨烯oxide@PVA(CWCC-rGO@PVA)复合材料. 富含CWCC-rGO-PVA的羟基酸盐与周围环境中的水形成氢键, 在浓度梯度的作用下产生高达5.7 μA的电流. Chu等[12]通过盐酸酸化氧化石墨烯的含氧基团, 极大提高了MEGs器件的电力输出, 可实现0.85 V和92.8 μA/cm2的电能输出. ...

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