利用纳米孔薄膜实现从空气水分中持续发电的普适性探究

以下文章来源于高分子科学前沿 ，作者高分子科学前沿

为了克服日益激增的能源需求与传统能源技术所面临的资源枯竭以及环境污染等问题，人们不断的开发和完善新的可持续能源技术希望从环境中直接获取能量，其中太阳能，风能，潮汐能等能源技术都得到了很好的发展。大气中的水分分布连续，无处不在，蕴含着巨大的能量。利用空气中的水分进行发电近几年来引起越来越多研究者们的注意。但是已开发的技术仍面临无法连续获能以及材料制备复杂等问题。在2020年，麻省大学(阿默斯特分校) Jun Yao教授课题组开发出以蛋白质纳米线薄膜为能量转换层的湿度发电技术并命名为 “Air-gen” ，实现了利用空气中的水分的可持续发电。近日，该课题组对相关技术进行进一步的扩展，发现 “Air-gen” 并不局限于蛋白质纳米线薄膜，利用有机，无机以及生物材料多孔薄膜均可实现利用空气水分连续获能，并对背后机理进行了探索。相关工作以 “Generic Air-gen Effect in Nanoporous Materials for Sustainable Energy Harvesting from Air Humidity” 为题发表在《Advanced Materials》上。

文章要点

一. 实现“Air-gen“的材料的普遍特征

在该课题组以往的研究中已经知道蛋白质纳米线薄膜之所以可以实现利用水分的连续发电归因于其薄膜中高密度的纳米孔通道以及丰富的官能团，使其可在均匀湿度环境下在薄膜内自发建立起湿度梯度差。进一步分析是因为当纳米通道尺寸小于气态水分子的平均自由程（~ 100 nm）时，气体-固体相互作用将主导气体-气体相互作用，导致热力学平衡偏离自由气体，从而使得气态水分子在纳米通道中的密度低于其在开放环境中。因此，随着薄膜厚度的增加，会在膜内形成一个相反的气态水分梯度差。换句话说，接近顶部/外表面的材料将比内部/底部的材料更频繁地与气态水分子接触进而吸附更多的水来产生吸附梯度。重要的是，由于该梯度差是由动态吸附平衡产生的，因而它会随着时间的推移而持续存在。基于此想要实现“Air-gen“那么材料需满足：1）可以形成比气态水分子平均自由程相当或更窄的纳米通道，以及2）与水分子相互作用的表面。

图1: “Air-gen“器件结构

二. 不同材料“Air-gen“ 效应的实现以及性能对比

有借于此，作者基于不同材料包括：cellulose  nanofibers (CNF), silk  fibroin  (SF)，microorganism G.suffurendences，graphene oxides (GOx)以及poly(3,4-ethylenedioxythiophene)  (PEDOT) nanowires，（图2）制备了垂直结构的 “Air-gen“ 器件。结果表明通过简单滴涂这些材料可以形成高密度纳米孔的薄膜，其孔道尺寸小于或接近气态水的平均自由程，通过在薄膜上下布置金电极形成的垂直结构可以在空气中产生稳定的电压输出（图1）。并利用石英晶体微天平对同种材料不同厚度的薄膜的含水量进行测量，验证了膜内湿度梯度差的存在。

图2: 不同材料实现“Air-gen“，a) cellulose  nanofibers (CNF), b) silk  fibroin  (SF)，c) microorganism G.suffurendences，d) GOx, e) PEDOT nanowires.

作者通过进一步对比不同材料所形成薄膜的孔道尺寸，饱和厚度（ds, 定义为吸附水分降为表面水分10%的薄膜厚度），膜内电场强度（E），以及单位厚度的吸附梯度差（▽H2O%），表明膜内水分梯度的建立与孔的大小相关，不同材料的饱和厚度与孔的大小成正比，其单位厚度的吸附梯度差与孔的大小成反比。而膜内电场的建立（E）不仅与水分梯度差相关，还与材料自身表面官能团的密度相关，可以通过膜内电场强度（E）与单位厚度的吸附梯度差（▽H2O%）的比值来反映材料的能源转换效率，结果表明含有丰富表面官能团的生物材料如：Protein nanowire， SF， CNF其能量转化效率普遍更高。

图3: 不同材料 “Air-gen“器件的参数对比

三. 电流产生机制

由于多孔材料在环境中具有一定的导电性，那么持续的电压输出表明必然有对应的充电过程来平衡电荷流动，基于此作者建立了“漏电电容“模型（图 4c），并用来描述 ’Air-gen‘器件的电流产生过程。在该模型下空气中的水分子被视为对系统持续充电的电流源，是器件产生持续能量输出的基础。并通过持续观察GOx薄膜构建的 ‘Air-gen’器件的充放电过程验证了该模型的合理性（图 4e，4f），为‘Air-gen’器件可持续能量输出提供了依据。

图4: “Air-gen“器件的电流输出。

四. 异质结构成的‘Air-gen器件

文章的最后，作者基于建立的‘Air-gen’器件发电的机理，预测不同材料所构成的异质结构由于其能量转换效率的不同，同样会产生一个漏电容进而持续获取电能。可以看到GOx分别与生物材料包括: CNF，SF， biofilm构成的平面异质结构同样可以产生稳定的电压输出（图5a，5b）。并通过调节GOx厚度并和蛋白质纳米线组成的垂直结构异质结器件（图5c，5d）再次验证了膜内湿度梯度的存在以及漏电电容模型。同时表明 ‘Air-gen’器件不同于以往的异种材料组成的原电池结构。

图5: 异质结构成的‘Air-gen器件性能

小结

本文通过对多种材料构成的‘Air-gen’器件的探究证实了该现象的普适性，并根据实验数据以及模型建立对‘Air-gen‘的基本原理，影响因素以及可持续过程进行了阐述和验证。多孔薄膜自我建立的膜内湿度梯度差以及水分子及电荷的动态交换过程是’Air-gen’持续获取空气中水分能量的基础。尽管目前单个‘Air-gen’器件所能提供的能量输出还很小，但是该类器件材料的可扩展性以及气态水分的连续性，扩散性以及背后蕴含的巨大能量，为其未来的发展以及应用奠定了可能。

来源：高分子科学前沿

转自：“i学术i科研”微信公众号

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