上海交通大学沈道智 Adv. Sci.：基于湿气自发电效应的水下能量收集及器件应用策略

2024-10-06 来源：高分子科技

上海交通大学机械与动力工程学院沈道智联合上海交通大学密西根学院王睿、上海工程技术大学材料学院赵健等人利用防水透气膜和离子化水凝胶制备了可在水下工作的湿气发电装置，并在水下无线信号传输方面进行了可行性验证。

随着人们对能源危机和碳排放的日益关注，为了进一步满足对电力供应的巨大需求和为电子产品供电的应用，可再生能源发电技术得到了迅速发展。水覆盖了地球表面的三分之二，湿气在自然环境中无处不在，因此能够直接从湿气中收集能量的湿气自发电这一新兴技术在近年来引起了广泛关注。该技术通过在功能材料中引入不对称吸湿与水解，在吸湿材料中产生离子浓度梯度，进而诱导的电荷的定向流动产生电输出。湿气自发电技术具有绿色、可再生和便携的优势，这些特性使湿气发电器件在自驱动设备中发电和应用方面具有重要前景。然而，目前的湿气发电器件只能收集空气中的湿气能量，覆盖地表更为广泛的液态水源未能被该技术收集，极大地限制了湿气发电能量收集效率和实际应用场景。

上海交通大学机械与动力工程学院沈道智和合作者针对这一问题，在湿气发电器件的结构中设计防水透气膜层和离子吸湿层，防水透气膜具有允许水蒸气透过，防止液态水渗透的性能。离子吸湿层的水凝胶为嵌入柠檬酸（CA）介质的聚谷氨酸（PGA）聚合物网络，当聚合物网络吸收水分子时，会解离出带电离子，聚合物网络能够限制大负离子的移动，这种辅助约束能够促使正负离子分离，从而产生电输出。研究发现，单个湿气发电机可以在水下持续提供 0.55 V 的开路电压和 130 μA cm^-2 的峰值电流密度。而由于防水透气膜的保护，即使在盐浓度为10%、扰动流速为 1 m/s 和 > 40 kPa 液压的恶劣水下环境中，器件仍然可以保持输出。同时防水透气膜和离子水凝胶膜成本较低，容易实现大规模制备。最后，展示了一种新型水下无线通信系统，该系统由湿气发电器件提供动力，成功地为水中发射器供电，用于位置跟踪器和无线远程警报。

研究者相信，此项研究为在水下收集水分能量提供了一条创新路线，表明水下湿气发电器件设备有望为海洋物联网一系列电子设备供能。相关论文在线发表在Advanced Science上。

论文信息：

Ionic Hydrogel-Based Moisture Electric Generators for Underwater Electronics

Daozhi Shen*, Fangzhou Li, Jian Zhao*, Rui Wang*, Bin Li, Zechao Han, Linglan Guo, Peicheng Han, Dongqi Yang, Hyun Ho Kim, Yanjie Su, Zhixiong Gong, Limin Zhu

Advanced Science

DOI: doi.org/10.1002/advs.202408954

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202408954

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（责任编辑：xu）

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