文献解读 || 苏州大学严锋教授Science Advience 集成式湿热发电机组有效利用废蒸汽能源

苏州大学严锋教授在Science Advience上发表了一篇题为“Integrated Moist-Thermoelectric Generator for Efficient Waste Steam Energy Utilization”的文章，报道了一种“二合一”策略，该策略将热电和潮湿发电机制相结合，用于高效柔性潮湿热电发电机（MTEG）。水分子和热量在聚电解质膜中的自发吸附导致Na⁺和H⁺的快速离解和扩散，从而产生高发电量。组装的柔性MTEG产生的功率具有1.81 V（有效面积=1 cm²）的高开路电压（V_oc）和高达4.75±0.4 µW cm⁻²的功率密度。通过高效集成，12个单元的MTEG可以产生15.97 V的V_oc，这优于大多数已知的TEG和MEG。本文报道的集成和灵活的MTEG为从工业废蒸汽中获取能量提供了新的见解。

研究背景

快速增长的工业密集消耗高温水蒸汽。然而，水蒸汽的有效利用率通常较低，超过60%的能量作为废蒸汽（热量）耗散（图1a）。而废蒸汽的再利用通常是通过传统的转化方法作为生产过程的热源进行的。因此，工业废蒸汽可用于通过热电和湿电转换产生电能。已经报道了湿气或热能转换的途径，并且离子在湿气梯度下的运动已被确定为聚合物湿发电机（PMEG）中湿气能量转换的主要驱动力。然而，长期的水分补充会消除聚电解质膜中的水分梯度，导致能量转换效率低和输出持续时间短，从而限制了PMEG的实际应用。

另一方面，基于Soret效应的热电发电机（TEG）在温度梯度下通过离子热扩散发电。目前的自冷设计可以灵活切换热电器件的塞贝克和珀耳帖效应，实现能量采集和热管理。然而，水的蒸发限制了目前设计器件的工作温度范围和输出稳定性。为了解决MEG的湿度饱和和TEG的水蒸发等现有挑战，可以通过结合热电和湿发电机优点的湿热电发电机实现废蒸汽能量转换。

本文亮点

在本研究中，研究人员报告了一种“二合一”策略，该策略结合了热电和湿发电机制，以实现高V_oc和大输出功率密度。制备了由聚（2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸）和聚（苯乙烯磺酸钠）交联共聚物（PAMPS/PSS）组成的聚电解质膜，该膜具有可迁移的H⁺和Na⁺，在温度和湿度的影响下产生电能。高效的质子传输提供了快速响应的电力。在聚电解质膜的湿度饱和之后，热湿气补偿了湿气蒸发，通过热移动Na^₊连续发电。因此，将低品位的热湿气转化为连续的电能。柔性湿热电发电机（MTEG）在湿热协同系统中发电，在80%湿度和15 K温差下，V_oc为1.81 V cm⁻²，并实现了4.75±0.4 µW cm⁻²的功率输出和14.07±1.93（90%RH，40°C）的高ZT_i值。12个单位的MTEG可以产生15.97 V的V_oc。此外，将集成的METG（总面积=3 cm²）放置在面罩上，面罩利用人类呼吸的湿热产生的能量激活红色LED灯泡。本文报道的柔性和可穿戴的MTEG在环境低级别的湿热能量转换（如人类呼吸和其他现实生活条件）方面显示出了很好的前景。

图文解析
图1 湿热电发生器的设计和合成a) 2019年全球废蒸汽利用情况。b) 采用AMPS和SSS在紫外光下共聚制备了聚电解质膜。将聚电解质膜进一步封装在具有碳纳米管涂层的碳布之间，并组装到MTEG中。由于Na⁺和H⁺在湿热协同系统下的离解和扩散，使得该装置能够发电。 图2 聚电解质膜的物理性质和MTEG在不同环境下的发电能力的表征a）潮湿的热电聚电解质膜的照片。b）微孔膜的扫描电子显微镜（SEM）图像。工作几个小时后，水蒸气从孔隙中渗出。c）P (AMPS-SSSx)的应力-应变曲线。d）P（AMPS-SSS0.5）在85%相对湿度下168小时的吸水性，插图显示了测试前后膜的形状。e）在不同环境条件下测试的MTEG的V_ocS。f）测试了 MTEG 两侧在不同湿度条件下的电压。
亮点：聚电解质膜具有较好的柔性（图2a）。如图2b所示，膜中微孔交联，而微孔是水分子传输的通道。SSS和AMPS的不同摩尔比使膜P（AMPS-SSS_x）（分别为x=0.5、1、2）具有可变的柔韧性。如图2c所示，随着SSS摩尔比的增加，拉伸应力和拉伸应变同时增加。其内在机制是，随着SSS含量的增加，聚合物链之间苯环的离子键合力和π–π相互作用增加，P（AMPS-SSS_0.5）膜的拉伸应力和应变分别测试为≈1.5 MPa和200%。研究了P（AMPS-SSS_0.5）膜从大气水分（85%RH，25°C）中吸水后的质量变化（Δm/m₀×100%）。168小时后，质量增加了约1.8%（图2d）。
MTEG在不同环境中的发电性能表明，该材料在湿热环境中比在纯湿热环境中效率高得多。在温差为15 K、湿度差为ΔRH=60%时，MTEG的V_oc达到1.81 V，而在单一的热和湿度条件下，系统分别为0.53和0.98 V（图2e）。系统中产生的温差导致水蒸气快速蒸发，并进一步加剧了顶部和底部之间的湿度差。较大的湿度差增加了MTEG的输出电压（图2f）。 图3 P（AMPS-SSS_0.5）在不同湿度水平下的热电特性a）P（AMPS-SSS_0.5）膜在25和40°C下不同相对湿度下的离子电导率计算。b）P（AMPS-SSS_0.5）膜在不同相对湿度下的离子热电压c）P（AMPS-SSS_0.5）膜在25和40°C以及不同湿度下的ZT_i和PF值。d）P（AMPS-SSS_0.5）膜（底部）在90%RH和40°C下以及（顶部）在40%RH和25°C下的相对表面电势。e）P（AMPS-SSS_0.5）膜在不同ΔRH下的相对表面电势。f）Na的元素mapping图像，代表工作前（左）和工作后（右）的顶部（第一行）和底部（第二行）。
亮点：如图3a所示，该聚电解质膜的σ_i随着湿度和温度的增加而增加，从40%湿度和25°C时的仅1.09 mS cm⁻¹增加到90%湿度和40°C下的10.6 mS cm^–1，显示出比同类型热电材料更高的离子电导率。离子电导率和离子迁移率之间的正相关性使得材料在高湿度环境下离子在聚电解质中更容易迁移。在相对湿度从40%增加到90%的条件下，正S_i从32.7增加到126.2 mV K⁻¹（图3b）。
不同RH和不同温度下的开尔文探针力显微镜（KPFM）测试显示，P（AMPS-SSS_0.5）的顶部和底部之间存在明显的表面电位差（图3d）。聚电解质膜中充分的离子解离和非均匀电荷的分布。P（AMPS-SSS_0.5）两侧的表面电势差的绝对值随着ΔRH的增加而增加（图3e），这意味着聚电解质膜中离子（H⁺和Na⁺）的离解更大。
图4 作为电容器型器件的性能a）在ΔT=15K和ΔRH=60%时，具有不同负载电阻的制造闭路的实时电流变化。b）设备在不同负载下的电流-电压变化。c）在具有一系列负载的不同环境中测量的MTEG的功率密度曲线。在90%相对湿度和40 °C条件下，通过制造和消除温度和湿度梯度，实现了设备运行周期的 I_sc d）和 V_oc e）变化。f）500分钟内不同带状角度的电流变化。g）不同弯曲角度下的电压变化。h）P（AMPS-SSS_0.5）与文献中其他热电材料性能的比较。i）MTEG与文献中其他MEG性能的比较。
亮点：图4描述了通过电路改变负载在闭合电路中产生的电压和电流。环境条件固定在15 K的温差和60%的湿度差下，负载电阻为50、500、1000、2000、10000和50000Ω的恒定电流在100分钟内表现出一致的输出（图4a）。图4c显示了在三种不同环境条件下功率密度和电阻之间的关系。当该设备在15 K温差和60%湿度差下连接到10 KΩ的最佳电阻器时，实现了4.75±0.4 µW cm⁻²的最大输出体积功率密度，MTEG显示出3.0%的能量转换效率。图4d、e显示了在4000 s内人为给定并消除温度和湿度差异时短路电流（I_sc）和V_oc的变化。电压和电流的可逆性也表明了MTEG的准连续模式。柔性MTEG经受住了剧烈的弯曲变形，并在500分钟内在0°至180°的不同弯曲角度下实现了95%的稳定电压和电流保持率（图4f，g）。MTEG在湿热协同系统中运行，并将其面积V_oc和I_sc与相关文献进行了比较（图4i）。 图5 设备集成方法和性能。a）集成可扩展发电机的过程。b）串联集成器件的V_ocs变化。c）并行集成器件的I_scS变化。d）有效面积为7.5 cm²的集成器件的V_oc时间曲线。e) 集成的MTEG利用人体呼吸中的热湿气点亮一个小灯泡的图像。
亮点：大规模集成了MTEG单元（图5a）。12个单元中相同的集成设备提供高达15.97 V的电压（图5b）。更复杂的串并联集成器件也实现了9.88V的实际电压。电极面积之和为7.5 cm²（图5d）。该设备在实际应用中的能力如图6b所示，它可以将废蒸汽能量转换为灯泡。这些结果表明，MTEG在高温高湿环境中成功地为电器充电，拓宽了TEG和MEG可以运行的场景。此外，MTEG可以用作工业过程中使用废蒸汽能量的电源，也可以用作人类呼出能量的可穿戴设备。
图6 设备在实际应用中的性能。a）MTEG的电压输出在60%ΔRH和15 K温差（70°C的环境温度）下持续118小时，27小时后设备顶部为给定的气流。b）该设备通过废蒸汽出口点亮LED灯泡的图像。

结论

综上所述，研究人员使用柔性聚电解质膜P（AMPS-SSS_0.5）设计了一种“二合一”MTEG。基于低品位热湿气的自发吸附和H^₊和Na^₊的诱导扩散，MTEG在协同湿热环境（ΔRH=60%，ΔT=15K）中可以以1.81V的电压输出发电。在90%和40°C的相对湿度下，它还表现出126.2 mV K⁻¹的高S_i、10.6 mS cm⁻¹的高σ_i、0.3709 W m⁻¹ K⁻¹的低κ和14.07±1.93的ZT_i。功率密度为4.75±0.4 µW cm⁻³。与先前报道的基于聚电解质膜的TEG或MEG相比，MTEG表现出最高的热电压和功率密度。此外，集成的MTEG可以通过转换工业废蒸汽的能量为中型和大型设备供电，MTEG为促进绿色和可持续发电提供了一个多功能的选择。 文章链接：https://doi.org/10.1002/advs.202206071

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