利用大气环境中水蒸发或湿气中能量产生电能是近几年能源领域研究的热点，作为新型的绿色能源，其优点是成本低廉、可大规模制备和无需额外机械能的输入。经过近几年的发展，水伏器件的功率密度已经大幅度提升。2020年，苏州大学FUNSOM研究院孙宝全教授课题组报道了一种新型的基于硅纳米线阵列的水蒸发驱动的水伏器件，并取得了高于同类器件三个数量级的功率密度 （Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 2–9）。然而相较于其他可再生能源器件，目前的水伏发电器件仍存在输出功率低的问题。其中，电极处缓慢的水蒸发速率和低效的电荷收集是限制其输出功率大小的两个主要问题。
图1 基于仿生多级孔纤维织物电极的硅纳米线水伏器件工作示意图
近日，该团队设计开发了一种使用仿生多级孔纤维织物作为上电极的硅纳米线水伏器件，得益于该织物电极具有的有利于水分快速蒸发、有效电荷提取和快速电荷传输的优点，该水伏器件可以持续输出550 mV的开路电压，22 μA/cm2的短路电流密度和10 μW/cm2的功率密度 （如图1），且该值高于文献已报道的器件功率密度。
图2 多级孔纤维织物电极工作机理示意图
该研究工作的创新点在于设计了一种由导电石墨/导电高分子（PEDOT:PSS）/织物组成的具有多级孔结构的仿生电极。受植物中天然维管束分层多支结构启发，该团队制备了一种兼具快速水蒸发和高效电荷传输特性的新型高分子电极，实现高导电率的同时具有很好的透水（水蒸发速率快）作用，其中导电高分子PEDOT:PSS作为内层（核），石墨作为外层（壳）。该多级孔织物电极由大尺寸孔道、微米孔及纳米孔组成（如图2）。经BET吸附实验可以证明石墨层/导电高分子（PEDOT:PSS）具有较大的比表面积，因此提供了大量的汽化核和水存储场所；而且微米孔和大尺寸孔提供了连续的毛细通道，有利于水分的快速输运和补充。此外，该织物电极的另一个优势是电荷的收集和传输分别在石墨层和PEDOT:PSS层中实现，高导电的PEDOT:PSS高分子层可以为电荷的快速传输提供横向输运通道。
经过串联连接，该水伏器件可以实现更大的功率输出，且在为商用LED供电方面具有很大潜力（如图3）。室温条件下，4个水伏器件串联连接即可点亮一个商用红色LED，且该LED至少可以保持7小时的工作时间。此外，具有更大功率和阈值电压需求的蓝色和绿色LED可通过6个串联连接的器件驱动。因此，经过优化后，该水伏器件可持续输出电能以满足日常电子设备的供电需求。
图3 硅纳米线水伏器件在供电方面的潜在应用
该研究工作近期以“Bioinspired Hierarchical Nanofabric Electrode for Silicon Hydrovoltaic Device with Record Power Output”为题发表在ACS Nano上，论文通讯作者为王玉生博士后、李述汤院士和孙宝全教授，第一作者为邵贝贝博士。该课题组一直致力于新型硅基能源器件方面的研究，该工作为基于半导体纳米结构设计开发新型能源器件提供了新的研究思路。
原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.1c00891
导师介绍：
孙宝全教授：http://web.suda.edu.cn/bqsun/
