為應(yīng)對能源危機和環(huán)境污染，濕氣驅(qū)動能量收集裝置（MEGs）的發(fā)展得到了人們廣泛的關(guān)注。然而目前報道的MEGs存在著輸出功率偏小，輸出能量受限的問題，這也就導(dǎo)致了其缺乏實際的應(yīng)用。如何提升MEGs的功率密度和能量密度是制約MEGs發(fā)展的關(guān)鍵因素。
近期，四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院傅強教授課題組鄧華教授團隊通過調(diào)控仿生氣凝膠的結(jié)構(gòu)和離子密度梯度，制備了高性能的MEGs。目前，為緩解化石燃料大量消耗帶來的環(huán)境污染和能源危機，可再生能源(如風能、太陽能、水能等)的研究日益凸顯并受到廣泛關(guān)注。地球表面70%以上被水覆蓋，水的運動蘊含著大量的藍色能量，只有極小部分足以滿足社會的需求。近期，通過活性材料與水分子之間的相互作用將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的MEGs為擴展電力的來源提供了新的思路。受蕨類植物的啟發(fā)，湍流剪切制備的聚乙烯醇樹枝狀膠體作為根和莖為水的傳輸提供支撐和通道，而包裹在膠體表面的片狀氧化石墨烯通過與水的直接相互作用產(chǎn)生能量。基于上述仿生結(jié)構(gòu)，聚乙烯醇樹枝狀膠體上高含量不同電荷的納米填料(氧化石墨烯和氨基化氧化石墨烯)在氣凝膠內(nèi)部構(gòu)建了超高的離子密度梯度，為帶電離子的定向擴散賦予了額外的作用力。此外，考慮到MEGs設(shè)備環(huán)境的復(fù)雜性，系統(tǒng)研究了環(huán)境因素(包括相對濕度、溫度、鹽濃度等)對氣凝膠濕電性能的影響。密度泛函理論計算結(jié)合實驗結(jié)果為潮濕引起的電的機理提供了額外的證明?；讵毺氐慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計和合理的環(huán)境條件，MEG單元可以產(chǎn)生~1.9 V的開路電壓和~82.5 μA的短路電流，最大功率密度為22.55 μW·cm-2，為自供電電子皮膚提供了新的可能。該工作以“Biomimetic aerogel for moisture-induced energy harvesting and self-powered electronic skin”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。文章的第一作者是四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院的博士生張學(xué)忠，通訊作者為鄧華教授。該研究得到國家自然科學(xué)基金委的支持。
圖1 不同結(jié)構(gòu)下氣凝膠的開路電壓和短路電流
圖2 不同測試環(huán)境下氣凝膠的開路電壓和短路電流
上述工作是該團隊在制備高性能MEGs上的最新進展。傳統(tǒng)的加工方式中聚合物對填料的包覆毫無疑問會導(dǎo)致填料的功能性有所降低。為此團隊發(fā)展了聚合物剪切沉淀的技術(shù)，并將其與功能性填料進行復(fù)合，并探索了其在MEGs方面的可能應(yīng)用。在過去的兩年，團隊制備了一種基于多壁碳納米管/聚氨酯樹枝狀涂層的海綿（Chem. Eng. J.，2022,438,135659），并系統(tǒng)研究了膠束中填料含量和涂覆次數(shù)對海綿功能性的影響，證明了該技術(shù)用于MEGs上具備可行性。接下里通過構(gòu)建基于氧化石墨烯和還原氧化石墨烯的不對稱離子密度分布，制備了一種基于氧化石墨烯/還原氧化石墨烯/芳綸樹枝狀膠束涂層的海綿基MEGs（Nano Energy，2022,98,107241），表明離子梯度結(jié)構(gòu)的構(gòu)建確實有助于進一步提升MEGs的輸出功率。
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