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来源：高分子科学前沿收集编辑：高分子科学前沿
随着化石能源日益枯竭，开发新兴的绿色能源得到了许多科研工作者的关注。湿气发电技术是一种新型的能源转换方式，可以将大气环境中湿气扩散产生的化学能直接转化为电能。然而，现有湿气发电装置（MEG）仍存在产电功率低、对湿度依赖性强、集成难等问题，限制了其在实际生活中的应用。
碳点作为一种新型纳米材料，因其成本低、合成途径简单、稳定性高等优点而受到广泛关注。碳化聚合物点（CPDs）是CDs的最新子类，相对于以碳主体为核心结构的石墨烯量子点或碳纳米点， CPDs具有聚合物/碳杂化结构和丰富的表面官能团，在MEG应用方面具有巨大潜力。尤其一些植酸化碳化聚合物点（PA-CPDs），相比于羧基为主的CPDs，具有更强的吸湿性和更好的电离能力。即使低空气湿度下，也可发生有效的电离和离子迁移，有利于湿气发电器件全天候产电。选用不同活性金属作为电极，设计异质电极结构，可显著提升离子浓度差，有利于提升产电功率。液态金属合金（LM）是一种新兴的尖端功能材料，已广泛应用于微电子、机器人、生物医学等领域。由锡和铟组成的LM合金具有灵活多变、可编织、可打印等特性，在大规模和高效率的制造MEG电极方面具有重要的潜力。然而，据我们所知，以LM合金为电极的MEG器件还未见报道。鉴于此，扬州大学丁建宁教授、李奇军特聘教授和江苏大学谈静副研究员团队通过设计植酸化碳化聚合物点和异质电极结构，开发了全天候适用、高效、可集成的 CPDs 基MEG。在85%的空气湿度下，器件可持续稳定工作，输出电压高达 0.8V，电流密度1.6 mA/cm2，电流和功率密度（1312 µW cm−2）为目前湿气发电领域最高记录。即使在15%的低空气湿度下，器件也能提供 0.65V 的电压和 12μA-2的电流输出，展示了全天候工作能力。借助于CPDs可印刷性，通过丝网印刷实现了器件的大规模集成，获得了210V和40mA的电能输出，并成功为商用微电子设备供电。图2为基于PA-CPDs的MEG器件的制备示意图。以植酸和葡萄糖作为原料，通过一步水热法合成PA-CPDs。利用丝网印刷，将PA-CPDs涂敷在无尘纸上，制备产电材料层。采用刀涂法将活性液态金属（LM）和银（Ag）电极沉积在无尘纸的两侧，制备电极，获得PA-CPDs基MEG器件。首先对PA-CPDs的化学结构和形貌进行了研究，其TEM图像表明PA-CPDs分布均匀，平均直径为4.8 nm。在傅里叶变换红外（FTIR）光谱中，3200-3400和1630 处的特征峰分别归因于−OH和C=O，而2730、1343和1030 处的吸收峰分别源于P-OH、P=O、P-O键的拉伸振动。X射线光电子能谱（XPS）光谱表明CPDs中含有C（54.4%）、O（30.5%）和P（15.1%）三种元素，且C和O的掺杂含量较高。在C 1s谱中，284.6 （C-C）、286.1 （C-O）和288.6 eV （C=O）是典型CDs中和氧碳的特征信号。而XPS O 1s高分辨能谱表明存在O=C （531.8 eV）、O-P （532.6 eV）和O-C （533.6 eV）官能团。P 2p高分辨能谱表明PA-CPDs中存在P-O键（133.9 eV）。上述结果表明PA-CPDs表面含有丰富的磷酸基团（图3）。图3. PA-CPDs的（a）TEM图像、（b） FTIR光谱、（c）XPS全谱图。PA-CPDs的高分辨率（d）C 1s、（e）O 1s和（f）P 2pXPS谱。在湿度（RH）15-85%的范围内，我们对PA-CPDs基 MEG装置进行了发电性能测试。在85% RH下，器件（1× 0.5 ）的最大输出电压为0.8 V（图4a），输出电流为820µA（图4b），电流和功率密度（1312 µW cm−2）为目前湿气发电领域最高记录（图4c）。当相对湿度从85%逐步降低到60%时，输出电能略有下降，电压为0.77 V，电流为735µA，仍然远高于大多数MEG装置。此外，在60% RH的条件下，制备的器件可持续发电超过24h，具有较高的稳定性（图5）。值得一提的是，低湿度环境下器件仍显示出显著的湿气发电能力。例如，在30%空气湿度下（冬季典型湿度），器件可以产生0.68 V的电压和16µA的电流。即使空气湿度低于15%，MEG装置仍能提供0.65 V和6µA的高电压和电流输出。图4.基于PA-CPDs的MEG器件的测量电压和电流图5.基于PA-CPDs的MEG器件在60% RH时的测量电压。为了说明吸湿性和电离性对MEG器件性能的影响，我们以柠檬酸代替植酸合成了表面富含羧酸基团的CDs（CA-CDs），并与PA-CPDs基MEG器件性能进行对比。研究表明在15% RH时， CA-CDs基MEG器件几乎不会产生电压和电流，这主要归因于羧基基团较差的吸湿性，见图（6b）。相比之下，PA-CPDs即使在较低的空气湿度下仍可吸收大量的水汽。Zata 电位测试和内阻测试表明CA-CDs的羧酸基团呈现为弱酸性，电离能力相对较差，而PA-CPDs表现为强电离特性。强电离的PA-CPDs可电离出更多的离子，有利于器件电压和电流的产生。除了PA-CPDs外，电极在发电过程中也起着至关重要的作用。活性液态金属电极可以与PA-CPDs电离出的氢离子发生化学反应，进一步电离金属离子。这些金属离子协同未反应的氢离子定向地向惰性电极移动，从而极大地提高了发电性能。此外，我们还研究了不同金属电极对MEG器件性能的影响，如图6d，与常见的活性电极相比，液态金属具有良好的粘附特性，可以与基底完全接触，提供了更多的活性位点来诱导离子，增加接触面，从而显著增强器件的电输出。制备的器件展示了良好的可扩展性，可以将设备单元轻松地集成在各种柔性基材上，如织物、滤纸和无纺布纸等。根据不同的应用要求，MEG单元可以串联或并联连接，或其组合驱动各种商业电子产品，无需外部整流电路（图7）。图7.通过集成成功给微电子设备供电以及可穿戴产品应用前景图相关研究成果以“Moist-electric generator with efficient output and scalable integration based on carbonized polymer dot and liquid metal active electrode”为题发表在国际权威期刊《Advanced Functional Materials》（SCI一区，IF:19.92）上。该工作得到了国家自然基金（No.52002152，62005106），江苏省科技创新专项资金（BE2022610），江苏省自然基金（BK20190864，BK20190865））等项目的支持。扬州大学为该论文的第一单位，文章第一作者为扬州大学李奇军特聘教授，江苏大学谈静副研究员和扬州大学李奇军特聘教授、丁建宁教授为文章的共同通讯。文章其他作者秦玉坤，程登科，程明，赵宏佳，李绿洲，曲松楠。--纤维素推荐--
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文章链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202211013声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！