香港理工大学陶肖明教授团队《Adv. Mater.》：离子型凝胶用于高效可集成的湿气发电机

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近日，香港理工大学智能可穿戴系统研究院陶肖明教授团队开发了一种凝胶型的湿气发电机 (moisture-electric generator, MEG)，能够高效收集空气中的水汽直接转换成电能，实现了高效的电流密度和能量产出。这种新型的离子凝胶湿气发电机不仅可以稳定发电超过1000小时，还能大规模的集成获得210V和7mA的电能输出，并成功的为商用微电子设备供电。这种凝胶湿气发电机制备工艺简单，价格便宜，可实现柔性集成，在物联网和自供电的可穿戴电子系统等领域具有巨大的应用前景。相关工作以“Ionic Hydrogel for Efficient and Scalable Moisture-Electric Generation”为题线上发表在最新一期的《Advanced Materials》。第一作者是博士生毕业生杨素。

图1. (a) 湿气发电装置. (b) 非对称结构发电。(3) 单个IHMEG 电压输出。

在全球资源短缺和碳中和的高度需求下，寻找简单高效的绿色能源转换技术，实现能源和社会的可持续发展具有重大意义。MEG利用大气环境湿气中的能量直接产生电能，使用安全的材料、没有污染物的产生和有害气体的排放，是能源领域的一个新兴的研究热点。然而目前大多数的MEG输出间歇性的电信号和低电流阻碍了实际应用。另外，实现大规模集成和应用也是目前研究的瓶颈。

本工作采用离子凝胶作为发电材料，利用凝胶高吸水和快速离子传输的特性，构筑一种高效而稳定的直流湿气发电机(IHMEG)。IHMEG能够自发吸收环境中的水汽形成非对称的湿度梯度，引发质子从高分子网络中解离并定向扩散，在水凝胶网络中形成离子浓度差从而对外输出电能。单个湿气发电机在开放的室内环境中可以稳定输出0.8V电压超过1000小时(图1)。

图2. 集成的IHMEG器件电压和电流输出以及电容充电曲线。

研究人员进一步借助丝网打印技术实现IHMEG的大规模集成。柔性可穿戴的IHMEG器件实现了210 V和7 mA的高电压和电流输出，并且可以直接为商用电容器充电(图2)。更重要的是，由于集成方法简单和高效，器件具有柔性， 尺寸小，重量轻等优势，这类新型的IHMEG器件展现了巨大的潜力应用在便携式可穿戴电子系统领域。

图3. 集成的IHMEG设备作为直流电源的应用。

根据不同的应用场景，IHMEG单元可以根据需要任意串联、并联或组合，无需任何额外的整流电路和电容器，即可直接驱动多种商用微电子产品。比如计算器，电子墨水屏，手表，LED灯阵列，也可以应用于工业化的电镀供电(图3)。本工作研发的IHMEG可以在 10 - 85 %相对湿度， 零下24 – 零上60摄氏度范围工作，具有高性价比、易于规模化制造和高功率输出的特点，并可直接应用于各种商业微电子设备，为开发绿色、多用途和高效的物联网和可穿戴电子系统的电源开辟了全新的前景。

陶肖明研究团队充分利用水凝胶网络的高吸水和和快速离子传输的特性，制备高效稳定可集成的凝胶型湿气发电机，可用于便携式、可穿戴电子系统和物联网的广泛应用中。在湿气发电材料和应用方面具有重大突破意义。团队目前正在更高效材料、发电原理模型、规模工程集成技术等方面继续相关工作。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202200693

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