文献解读 || 武汉大学吴伟教授Small Methods 用于高效蒸发驱动发电的氧化石墨烯连续梯度化学还原策略
武汉大学吴伟教授在Small Methods上发表了一篇题为“A Continuous Gradient Chemical Reduction Strategy of Graphene Oxide for Highly Efficient Evaporation-Driven Electricity Generation”的文章，通过连续梯度化学还原策略获得一种基于连续梯度化学还原氧化石墨烯的高性能纺织品蒸发驱动发电机(CG-rGO@TEEG)。
连续梯度结构不仅大大提高了正负电极之间的离子浓度差，而且显著优化了发生器的导电性。CG-rGO@TEEG当施加50 µL NaCl溶液时，可以产生0.44 V的电压和590.1 µA的可观电流，优化功率密度为0.55 mW cm−3。
这种放大CG-rGO@TEEGs可以提供足够的功率在环境条件下直接驱动商用时钟超过2小时。这项工作提供了一种基于水蒸发的高效清洁能源收集的新方法。
从自然环境中获取能源的技术是缓解化石燃料消耗和全球变暖的有希望的方法。到目前为止，包括光伏发电机、风力涡轮发电机、压电/摩擦电纳米发电机、和热电发电机在内的各种能量采集器已被成功开发用于有效收集可再生电力。
然而，这些能量收集过程通常高度依赖于环境条件，如阳光、风、机械力和热梯度。在这方面，迫切需要由自发过程驱动的有前景和环保的能源收集战略。
作为一种可再生资源，水覆盖了地球71%的表面，吸收了地球35%的太阳能。这种能量驱动水循环，主要涉及从液态水到水蒸气的自发蒸发和作为液态水的再冷凝。
最近，对新兴光伏技术的研究表明，功能材料和水之间的相互作用可以直接发电，如蒸发驱动发电机、湿气驱动发电机、液滴驱动发电机和波浪驱动发电机。蒸发驱动发电机（EEG）因其在大范围的环境湿度下自发获取可持续电力的优势而脱颖而出。
由于润湿毛细管的不对称分布，EEG可以通过功能材料和蒸发诱导的微/纳米通道中自发毛细管水流之间的电耦合来发电。已经提出了许多方法，通过提高设备的接口耦合能力、电导率或高效连续的水流来提高EEG的电输出性能。
然而，单个器件在环境中的输出电流和功率密度仍然无法满足商业电子的实际需求，这可能归因于有限的连续质子梯度和整个脑电图中的低电导率。
在这项研究中，研究人员受不对称结构和蒸腾作用的启发，开发了一种连续梯度化学还原策略，以制造基于连续梯度化学还原GO（TEEG）纺织品蒸发驱动发电机 (CG-rGO@TEEG)。
通过在液体还原剂中部分浸泡GO包覆的TEEG (GO@TEEG)底部，制备出具有连续含氧基团梯度的 CG-rGO@TEEG，不仅可以扩大质子的内部浓度梯度和顶部与底部之间的亲水性梯度，而且可以大大提高 CG-rGO@TEEG 的电导率。
只需一滴4 M NaCl溶液（50 µL），即可持续产生0.44 V的高电压和590.1 µA的电流，单位在环境中优化输出功率为50.9 µW（相当于0.55 mW cm−3的体积功率密度）CG-rGO@TEEG。
由于出色的放大能力CG-rGO@TEEGs通过串联和并联连接，可以在很长一段时间内直接为商用电子设备供电。这项研究为高效蒸发驱动发电机的设计提供了一种巧妙的策略。
图1 制造和表征CG-rGO@TEEG
a）CG-rGO@TEEG的制备示意图。b）树木中毛细流动蒸腾作用的示意图。c）具有不对称的含氧基团和吸湿性的CG-rGO@TEEG示意图。d）CG-rGO@TEEG的蒸发驱动发电原理图。
亮点： CG-rGO@TEEG由具有梯度还原GO的不对称分布的棉纺织品构成，制备示意图如1所示。GO@TEEG置于含有少量HI（300 µL）的离心管中，使其底部部分浸入HI中。随着纺织品中GO还原过程的进行，类似于植物中的蒸腾作用（图1b），HI毛细管流从底部输送到顶部GO@TEEG通过毛细管力，重力和毛细管力的协同作用导致HI的不对称分布，HI从底部到顶部以梯度下降GO@TEEG，导致不对称CG-GO@TEEG。
接触角、XPS、拉曼光谱等都都表明，通过这种连续的梯度化学还原过程，可以在GO@TEEG实现含氧基团的连续梯度分布，通过移液管枪将50 µL去离子水添加到CG-rGO@TEEG，可以瞬间产生巨大的功率，直接驱动商业电子设备（图1d）。
图2 水蒸发驱动的发电CG-rGO@TEEG
a）CG-rGO@TEEG的工作原理示意图。通过滴下50µL去离子水CG-rGO@TEEGs的b）开路电压，c）短路电流，d）电压和电流值，以及e）输出功率和功率密度，具有各种体积电阻。f）通过滴下50 µL DI水，基于GO（1.94×103 MΩ）、rGO（2.6 kΩ）和CG rGO（2.6kΩ）的TEEG的电输出。
亮点：由于含氧基团的梯度分布，CG-rGO片的表面显示出负电荷的梯度分布（从部分（I）到部分（II）逐渐减少）。在典型的发电过程中，当离子溶液通过带负电荷的通道从负电极侧（部分（I））流到正电极侧（第（II））时，由于含氧基团的内置梯度，这些通道可以表现出穿过阳离子和排斥阴离子的高选择性（图2a）。
在负电荷梯度和毛细管力的协同作用下CG-rGO@TEEG可以瞬间输出优异的电力，并且CG-rGO@TEEG可由其体电阻控制（图2b–d）。当CG-rGO@TEEG为2.6 kΩ，电压和电流分别为0.62 V和293.7 µA。此外，计算出的最大输出功率高达38.6 µW（相当于0.41 mW cm−3的体积功率密度）（图2e）。
图3 含氧基团的连续梯度对CG-rGO@TEEG（2.6 kΩ）发电的影响
a）当DI水（50 µL）分别地滴在CG-rGO@TEEG电池的负极侧（i）、左四分之一（ii）、中间（iii）、右四分之四（iv）和正极侧（v）时，毛细管水流状态（15、60、120和360 s后）的示意图和IR图像。b）CG-rGO@TEEG在五个滴液位置（i-v）上产生的单独和c）集成电压信号。
亮点：为了进一步揭示含氧基团的连续梯度对 CG-rGO@TEEG 发电的影响，通过调整 CG-rGO@TEEG 上去离子水(50 μL)的滴落位置，进行了一系列的对照试验。
图3a分别显示了15、60、120和360秒后相应毛细管水流在 CG-rGO@TEEG 和 IR 图像上的五个不同滴水位置。实验结果表明，CG-rGO@TEEG 的发电性能受含氧基团梯度方向和毛细管水流方向的影响，只有在两个方向一致时才能产生最大电压。
图4 CG-rGO@TEEG（2.6 kΩ）NaCl溶液蒸发驱动的电力输出
CG-rGO@TEEG通过滴加不同浓度的NaCl溶液（50µL）的a）开路电压，b）短路电流，c）电压和电流值，以及d）输出功率和功率密度。由CG-rGO@TEEG通过4 M NaCl溶液（50µL）的重复液滴持续5天的e）电压和f）电流。
亮点：选用氯化钠作为普通电解质，研究了氯化钠对 CG-rGO@TEEG (2.6 kΩ)发电性能的影响。如图4a-d，随着氯化钠溶液浓度的增加，电压、电流以及输出功率先增大后减小。
随着 NaCl 溶液浓度增加到4 M，CG-rGO@TEEG 产生0.44 V 和590.1 μA 的最大电压和电流，最佳功率为50.9 μW (相当于0.55 mW cm-3的体积功率密度)。
当离子浓度的增加导致溶液的德拜长度和介电常数的减少时，表面电荷密度的显著增加最终实现电输出的增加。当重复 CG-rGO@TEEG 的湿润和蒸发过程超过5天时，可以稳定地产生电压和电流，表明重复加入 NaCl 溶液可以使 CG-rGO@TEEG 连续工作(图4e，f)。
图5集成 CG-rGO@TEEGs 的应用
a) CG-rGO@TEEGs 串联的电压输出。b) CG-rGO@TEEGs 通过堆叠并联的电流输出。c)由4 × 5集成 CG-rGO@TEEGs 直接供电的10个红色 LED。d)电路模型示意图和 e)时钟(29厘米 × 33厘米)与日历和热湿计平行的照片直接由集成的 CG-rGO@TEEGs 驱动。
亮点：放大 CG-rGO@TEEG 单元(2.6 kΩ)的电输出对于实际应用至关重要。串联的9个单元的输出电压可以高达≈3.9 V (图5a)。并且5个单元的输出电流平行增强到≈2.8 mA，表明 CG-rGO@TEEGs 的良好缩放性能(图5b)。
得益于出色的输出功率和理想的体积电阻，4 × 5集成的 CG-rGO@TEEGs (4个并联堆叠，5个串联)可以提供足够的电力直接照亮10个红色发光二极管(LED)10分钟(图5c)。此外，4 × 5集成的 CG-rGO@TEEGs 还可以直接驱动与日历和热湿仪平行连接超过2小时的时钟(29cm × 33cm)(图5d，e)。
综上所述，通过在GO@TEEG上连续梯度化学还原，在CG-rGO@TEEG上形成的连续梯度含氧基团结构，极大地增强了正负电极间的离子浓度差和通过蒸腾作用的离子流。
因此，一个体积约为0.093 cm3的发电机单元可以用50 μL 的4M NaCl 溶液产生0.44 V 的电压、590.1 μA 电流和50.9 μW的最大输出功率(相当于0.55 mW cm-3的体积功率密度)。
集成CG-rGO@TEEGs提供的电力可以直接驱动商用电子设备，而不需要任何额外的储能设备。这项工作为提高脑电信号的发电量提供了有力的策略，并显示了有效利用可再生资源的巨大优势。
文章链接：
https://doi.org/10.1002/smtd.202300304
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