曲良体教授团队实现异质膜湿气发电（MEG）和千伏的集成电压输出

gongbai

近日，清华大学化学系曲良体教授和程虎虎博士团队开发了一种异质膜湿气发电材料和器件（Moisture-enabled electric generator, MEG），能够利用空气中水汽直接产生电能，实现了低湿度环境下的高电压产出，集成MEG成功输出上千伏电压，为新型清洁能源的开发和社会的可持续发展提供了新的能量转化利用思路。该成果近期发表于《自然 纳米技术》(Nature Nanotechnology)，题为“异质膜湿气发电实现千伏电压集成输出”(Bilayer of polyelectrolyte films for spontaneous power generation in air up to an integrated 1,000 V output)。

图1. 湿气发电器件吸收湿气产电的概念图

       由于全球变暖和巨大的电能需求，将绿色环境能源转化为电能的发电技术成为研究热点。湿气发电（Moisture-enabled electric generator, MEG）是一种利用空气中的水汽进行发电的新型环境能源转化和利用策略。由于空气中水汽无处不在和清洁无污染的发电过程，湿气发电研究具有重要的科学意义和应用价值。然而，在相对低湿度25% RH 的大气环境下，目前报导的湿气发电器件提供的开路电压普遍低于0.2 V。另外，湿气发电器件的规模集成和应用也是目前研究的难点。
       本工作采用双层聚电解质膜（BPF）作为发电材料，构筑了一种异质的湿气发电器件（HMEG）。HMEG能够自发吸收环境空气中的水汽，形成带电的可迁移离子（H+和Cl-）的异质分布和定向扩散，在相对低湿度25% RH（25 oC）的大气环境下可以长时间产生0.95 V的电压，在85% RH下电压可达1.38 V。

   

图2.（a）HMEG湿气发电过程示意图；（b）单个HMEG结构示意图和电压输出

       研究人员进一步借助激光加工技术提出了一种错位有序堆叠策略，实现了HMEG的大规模集成。上千个HMEG器件的集成不仅可以输出千伏的电压输出，将产生的电能存储到电容器或电池中，可以给商用电子设备供电（比如10 W灯泡和电子墨水屏等），还可以作为栅压驱动场效应晶体管。此外，研究人员还构建了可以高度折叠收缩的HMEG，体积仅为0.5×0.5×9.2 cm3的集成器件可以产生高达百伏的电压输出。

                     

图3. 大规模集成HMEG器件的产电输出和给灯泡供电应用展示

        本文研究成果第一作者为化学系博士研究生王海燕，合作者为清华大学微电子所谢丹副教授团队和北京大学张艳锋研究员团队。本工作依托清华大学有机光电子与分子工程教育部重点实验室和摩擦学国家重点实验室开展，获得了国家科技部重点研发专项项目和国家自然科学基金委，清华大学自主科研计划，清华-佛山先进制造研究院项目，国强研究院项目等项目的资助。
         论文链接：https://doi.org/10.1038/s41565-021-00903-6


          文章来源：清华大学
          曲良体，清华大学教授、博士生导师、长江学者特聘教授，围绕功能结构与材料制备、先进能源器件、激光微纳制造等方面开展研究，在Science, Nature Nanotechnology, Advanced Materials, Journal of the American Chemical Society等国际重要期刊发表SCI论文200多篇，论文他引近万次，单篇论文最高他引1600余次。受邀请在Nature Reviews Materials, Accounts of Chemical Research, Chemical Reviews等撰写综述论文20余篇，英文专著6章，国际国内发明专利20余项。研究工作被Nature等专业刊物报道。20篇论文入选ESI高被引论文(Web of Science)。主持科技部重点研发计划、国家基金委项目等多项。
          张艳锋,北京大学工学院百人计划特聘研究员、博士生导师，北京大学前沿交叉学科研究院特聘研究员，国家优秀青年科学基金获得者。中科院物理所博士(2005)，日本东北大学博士后、日本学术振兴会(JSPS)外国人研究员(2006-2009)。2010年受聘北京大学“百人计划”特聘研究员，加入北京大学工学院材料系至今。主要从事二维原子晶体材料的可控制备和精确表征、新奇物理化学特性的探索，以及在能源等领域的应用研究。在Science, Phys. Rev. Lett, Nano Lett.等杂志发表论文80余篇。曾获全国百篇优秀博士论文（2007），中科院杰出科技成就奖（2005）等奖项。回国后获得了国家重大科学研究计划“量子调控”项目、国家自然科学基金面上/重大项目、国家优秀青年科学基金等项目的资助。目前承担的科研项目包括：国家自然科学基金面上项目一项、全国百篇优秀博士论文获得者科研启动经费一项、国家重点基础研究发展计划“量子调控”项目两项（其中一项担任课题组长，一项为科研骨干），国家优秀青年科学基金一项。