化學系曲良體團隊實現異質膜濕氣發電和千伏集成電壓輸出
來源：清華新聞 點擊量：795 清華新聞網5月7日電 近日，清華大學化學系曲良體教授團隊開發了一種異質膜濕氣發電材料和器件(Moisture-enabled electric generator, MEG)，能夠利用空氣中水汽直接產生電能，實現了低濕度環境下的高電壓產出，集成MEG成功輸出上千伏電壓，為新型清潔能源的開發和社會的可持續發展提供了新的能量轉化利用思路。
濕氣發電器件吸收濕氣產電的概念圖
在全球變暖和社會對電能需求愈發強烈的背景下，將綠色環境能源轉化為電能的發電技術成為研究熱點。濕氣發電(Moisture-enabled electric generator, MEG)是一種利用空氣中的水汽進行發電的新型環境能源轉化和利用策略。由于空氣中水汽無處不在和清潔無污染的發電過程，濕氣發電研究具有重要的科學意義和應用價值。然而，在相對低濕度25%RH的大氣環境下，目前報導的濕氣發電器件提供的開路電壓普遍低于0.2V。另外，濕氣發電器件的規模集成和應用也是目前研究的難點。
本研究采用雙層聚電解質膜(BPF)作為發電材料，構筑了一種異質的濕氣發電器件(HMEG)。HMEG能夠自發吸收環境空氣中的水汽，形成帶電的可遷移離子(H+和Cl-)的異質分布和定向擴散，在相對低濕度25% RH(25oC)的大氣環境下可以長時間產生0.95V的電壓，在85%RH下電壓可達1.38V。
(a)HMEG濕氣發電過程示意圖；(b)單個HMEG結構示意圖和電壓輸出
研究人員進一步借助激光加工技術提出了一種錯位有序堆疊策略，實現了HMEG的大規模集成。上千個HMEG器件的集成不僅可以實現千伏的電壓輸出，將產生的電能存儲到電容器或電池中，可以給商用電子設備供電(比如10W燈泡和電子墨水屏等)，還可以作為柵壓驅動場效應晶體管。此外，研究人員還構建了可以高度折疊收縮的HMEG，體積僅為0.5×0.5×9.2cm3的集成器件可以產生高達百伏的電壓輸出。
大規模集成HMEG器件的產電輸出和給燈泡供電應用展示
該成果近期發表于《自然·納米技術》(Nature Nanotechnology)，題為“異質膜濕氣發電實現千伏電壓集成輸出”(Bilayer of polyelectrolyte films for spontaneous power generation in air up to an integrated 1,000 V output)。
本文研究成果第一作者為化學系博士研究生王海燕，通訊作者為曲良體教授和程虎虎助理研究員，合作者為清華大學微電子所謝丹副教授團隊和北京大學張艷鋒研究員團隊。本工作依托清華大學有機光電子與分子工程教育部重點實驗室、摩擦學國家重點實驗室開展，獲得了國家科技部重點研發專項項目和國家自然科學基金委、清華大學自主科研計劃、清華-佛山先進制造研究院項目、國強研究院項目等項目的資助。
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