清华大学曲良体&程虎虎等今日Nat. Nanotech.：靠吸水就能发电，输出1000V高压

第一作者：Haiyan Wang

通讯作者：曲良体，程虎虎

通讯单位：清华大学

环境适应性发电对下一代能源的发展具有吸引力。鉴于此，清华大学曲良体教授，程虎虎助理研究员等人开发了一种基于双层聚电解质膜(BPFs)的异质湿气发电器(HMEG)。通过水分子在空气中的自发吸附和带相反电荷离子的诱导扩散，单个HMEG单元在低相对湿度( 25% RH )条件下可产生~0.95V的高压，在85% RH下电压升至1.38V。为了实现HMEG单元的大规模集成，作者提出了一种顺序对准堆叠方法，所制备的器件可在25% RH，25℃环境条件下提供超过1000 V的高压。使用折纸组装策略，HMEGs还可以产生43 V cm^-3 超高体积电压。这种集成器件可照亮10W的灯泡，驱动动态电子墨水屏，并控制自供电场效应晶体管的栅极电压。相关成果以“Bilayer of polyelectrolyte films for spontaneous power generation in air up to an integrated 1000 V output”为题发表在Nature Nanotechnology上。

Idea的产生

脂质双分子层的不对称结构存在于许多细胞质膜中，如红细胞。中性脂类(例如磷脂酰胆碱)主要分布在细胞膜外小叶，而阴离子脂类(例如磷脂酰丝氨酸)主要分布在内小叶 (图1a )。荷电脂质双层中的非均相分布很容易诱导产生跨膜电位 (图1b )。受非对称脂质双分子层结构的启发，作者提出了一种异质湿气发电器(HMEG)。该发电器采用双层聚电解质膜(BPFs)，其带电离子(Cl^-和H⁺)在湿空气中具有异质分布(图1c)。

BPF的设计原理

作者基于聚阳离子(即聚二烯丙基二甲基氯化铵) (PDDA)，聚阴离子(即聚苯乙烯磺酸(PSS)和聚乙烯醇(PVA)杂化膜(PSSA))构建了仿生双层BPF (图1c)，其中PVA组分的合理引入使PSSA膜具有更好的柔韧性。这种BPF能自发地吸附湿空气中的水分子，并在较长时间内解离PDDA层带负电的Cl^-和PSSA层带正电的H⁺，自然形成了不同层离子( Cl^-和H⁺ )的浓度差异。因此，在离子浓度差的驱动下，PDDA层带负电的Cl^-和PSSA层带正电H⁺的反向扩散将诱导电位和电流产生(图1c )。

BPF的制备

如图1d所示，BPF采用简单的浇铸和喷涂策略制备，易于以可扩展、连续的方式制造大面积BPF (0.26×0.27 m²) (图1e)。同时，BPF可以任意裁剪和折叠，且具有良好的机械灵活性。该BPF由PDDA层和PSSA层组成，厚度分别为30和70 μm (图1f)，这与氯和硫的不对称分布(图1g )相吻合。

Fig. 1 | Biomimetic principle and structure of the BPF.

Fig. 2 | Electric generation of a HMEG unit.

Fig. 3 | Working mechanism of HMEG .

Fig. 4 | Integration of HEMG units.

Fig. 5 | Demonstration of the HMEG as a practical power source.

Fig. 6 | Self-powered FET.

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41565-021-00903-6