离子梯度增强型湿式发电机的机理揭示
化石能源等不可再生资源日渐枯竭，能源危机和全球变暖持续威胁人类生活，人们越来越迫切寻找先进的可再生和可持续能源技术，例如基于摩擦电学、压电和热电原理的新技术被开发出来将能量转化为电能。此外，地球上无处不在的海水引起了人们对能源转换技术的极大兴趣。基于浓度梯度或流动电流产生的离子漂移，水分发电可以将水分中的化学能转化为电能，这代表了一种打破传统液态水发电模式的方法。利用“水”发电，不仅能缓解能源危机，更能变废为宝。
近日，东华大学王利民、覃小红教授团队提出了基于纳米纤维织物的离子梯度增强湿式发电机，解决了瞬时和低电输出问题。研究结果以“Nanofiber fabric based ion-gradient-enhanced moist-electric generator with a sustained voltage output of 1.1 volts”为题发表在《Materials Horizons》上。
【离子梯度增强型湿式发电机】
湿气发电机（moist-electric generators，MEG）是利用离子浓度梯度发电，可以从水分中获取能量。自曲良体教授团队首次报道以来，大量新型材料和精心设计的结构逐渐出现。曲教授团队采用湿/电退火方法制备了一种典型的梯度氧化石墨烯薄膜，该薄膜能产生35mv的电压。后来很多研究工作者相继开发了很多新材料，但是仍然存在很多问题。为了在实际应用中获得成功，提高效率和产生连续电压输出是至关重要的。本文作者设计了一种基于离子梯度增强的新型纳米纤维织物，引入一个活跃的电极。该组装器件可持续输出1.1 V电压40000 s，功率密度高达1.48 μW cm-2。其工作原理是在多孔纳米纤维织物中浓度差与流动电位共存的基础上，含氧官能团的材料与水分作用后电离氢离子，电离后的氢离子与上电极(多孔铝)反应生成铝离子。产生的离子在水分梯度和湿流的作用下，通过带电的纳米通道扩散，从而形成电。
图1 MEG示意图及长期电压输出。
【MEG的应用】
为探究离子梯度增强湿润发电机的性能，采用静电纺丝法制备了不同配比的PAN/PSSA纳米纤维混纺织物。静电纺丝纳米纤维织物具有比表面积大、柔韧性好等优点和多孔结构，是收获水分的最佳选择之一。PSSA作为一种典型的聚电解质，具有优越的吸湿性、丰富的磺化官能团和高的质子导电性，是一种理想的掺杂材料。PAN/PSSA纳米纤维织物表现出更均匀的分布，这将为离子的扩散提供更多的纳米通道。
为了进一步提高应用的能量输出，器件可以串联或并联连接。图2a和图2b分别为串联和并联的基于纳米纤维织物的离子梯度增强MEG。3个和5个纳米发电机的串联组合分别获得了3.3 V和5.5 V的高电压。同样，5个并联器件将短路电流从1.35 μA增加到4.7 μA。此外，基于MEG的纳米纤维织物可以与能量存储系统结合，将周围的水分转化为可用的能量形式。三个器件串联，给十个电容(电容2.2 mF)充电，可以点亮一个红色的LED此外，所连接的设备还可以用于为数字手表供电。除了发电，该设备还展示了用于灾害预警的潜在用途。为了研究MEG的实际应用，作者设计了用于森林火灾探测的温湿度传感器和用于紧急报警的氨泄漏传感器，以展示其在自供电灾害监测系统中的潜在应用。当设备与氨气接触时，电压从1.1 V急剧下降到0.6 V，说明发生了氨气泄漏。该装置还提供了火灾探测预警的实时监控策略，当火灾发生时，环境温度上升，湿度下降，导致电压输出急剧下降，说明火灾已经发生。
图4 (a, b)串联(a)和并联(b)的PAN/PSSA纳米纤维织物MEG的电压和电流输出。(c) PAN/PSSA纳米纤维织物MEG用于为电容充电，为LED供电。(d)基于PAN/PSSA纳米纤维织物MEG用于为数字手表供电。(e, f)基于PAN/PSSA纳米纤维织物的MEG用于实现自供电的实际应用示意图(e)氨气泄漏监测和(f)森林火灾监测传感器。
综上，湿发电作为一种新兴的新型能源收集技术，是提供可再生和清洁能源的最具吸引力和前景的候选技术之一。在这项工作中，作者提出了利用静电纺丝纳米纤维织物和多孔活性电极组成的离子梯度增强MEG，满足高效、连续的能量收集。组装后的磁链能产生持续电压输出1.1 V，持续时间40000 s，且无任何减弱迹象，达到所有已报道的磁链中最高水平。除了发电，基于静电纺丝纳米纤维的MEGs还成功应用于自供电传感器，包括氨泄漏监测和用于森林火灾探测的湿热传感器。该研究为创新MEG的设计提供了见解，并为未来的能源转换开辟了一条开创性的道路。
