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
