中科院苏州所张珽团队 Nano Energy：基于可持续柔性水伏发电机的自供能可穿戴传感系统

【文章亮点】

1、针对柔性电子器件对能源轻量化、柔性化及可持续性的需求，构建了基于水伏效应的柔性纳米发电机及可穿戴自供能柔性传感系统。

2、突破目前水伏发电机固定水源束缚，结合超吸水水凝胶构建了蒸发驱动的柔性便携式水伏发电机。

3、实现了柔性水伏纳米发电机长时间持续稳定发电，拓展了环境能量采集用于柔性可穿戴电子设备便携式电源的应用。

【背景介绍】

近十年来，随着智能柔性可穿戴设备在医疗健康监护、人机融合、人工智能等领域的广泛应用，柔性电子技术向智能化、集成化、多功能化的方向快速发展。然而，尽管柔性电子器件在降低功耗方面取得了重要进展，但能源的供给和消耗依然是柔性电子发展最关键的限制因素。传统化学电池等电源设备依然存在体积大、无法轻量化和柔性化等问题。近年来，利用光伏、热电、摩擦电和压电感应发电等技术从环境中收集能量为解决上述问题提供了新的方向。解决电子器件可持续能源供给问题，研究开发基于新型能源高效采集的自主式供电柔性传感器成为柔性智能电子的重要研究方向。

众所周知，地球表面70％以上都被天然水体覆盖，是含量最丰富的资源之一。无论地理位置或环境条件如何改变，天然水都可以通过吸收热能而自发地流动和蒸发。水消耗的能量占地球接收到太阳能量的35%，约60万亿千瓦（10¹⁵ W），如果能够将小部分的能量捕获和有效利用，得到的能量就可以满足现在人类的生活需求~18万亿瓦（10¹² W）。最近，已报道了一种通过纳米结构与水的流动、波动、滴落和蒸发直接相互作用来发电的能量转换效应，被称为水伏效应（hydrovoltaic effect），这种效应为解决柔性传感系统的能源可持续供给提供了新的思路。然而，如何在变形条件下实现稳定发电和高输出功率，并实现轻量化、柔性化可穿戴传感微系统依然面临很多挑战。

【成果简介】

针对上述挑战，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的张珽研究员（通讯作者）团队研制了一种可持续产电的柔性水伏发电机，并以此为便携式柔性能源构建了柔性可穿戴自供能传感系统。通过聚乙烯醇（PVA）将功能化碳纳米颗粒(FCB)牢固粘附到三维海绵骨架 (3DS)上，并将PVA@FCB@3DS三维薄膜与高吸水性水凝胶组装构建水伏发电机（HPGs）。该水伏发电机在环境条件（20.4^oC、55％RH）下，可实现高达63 μA的持续短路电流和8.1 μW的最优有效输出功率，单次使用时间超过了150 h。此外，该柔性水力发电装置可以承受大范围的弯曲变形（最大120°）而不会发生明显的性能变化，这赋予了HPGs用作可穿戴电子柔性便携式电源的能力。研究成果以题目为“Sustainable and Flexible Hydrovoltaic Power Generator for Wearable Sensing Electronics”发表在Nano Energy上。本文第一作者：李连辉。

【图文解析】

图一、水蒸发驱动的HPG和材料表征
（a）水伏发电机的结构示意图。

（b）超吸收性水凝胶吸水状态的典型光学照片；

（c）FCBs的高分辨率O1s X射线光电子能谱（XPS）光谱；

（d）PVA@FCB的典型HR-TEM图像；

（e）PVA@FCB@3DS膜的扫描电子显微镜（SEM）图像；

（f）PVA@FCB层的高分辨率SEM图像；

（g）PVA@FCB@3DS膜的横截面SEM图像；

（h）揉搓FCB@3DS薄膜和PVA@FCB@3DS薄膜过程及之后的典型光学照片。

图二、水蒸发驱动的HPGs的发电性能

（a）HPGs中的水流路径示意图。

（b-c）水蒸发驱动HPGs的工作原理示意图。

（d-e）在环境条件下，HPG工作150 h产生的V_oc和短路电流（I_sc）；

（f）水蒸发驱动的水伏发电机的极性测试；

（g）将器件密封在培养皿过程中HPG的开路电压变化曲线；

（h）处于密封状态的重叠双电层（EDL）纳米通道的示意图；

（i）由3DS、CB@3DS、PVA@3DS、PVA@CB@3DS和PVA@FCB@3DS薄膜构成的水伏发电机的V_oc。

图三、PVA@FCB@3DS薄膜的结构分析
（a）PVA@FCB@3DS薄膜中水的分布的光学照片；

（b-c）插图中的b中显示了七个电极位置，HPG的两个电极之间的饱和状态电压差；

（d）PVA@FCB@3DS薄膜的示意图显示了液态水的分布和流路。

图四、环境条件对HPG发电和输出性能的影响
（a）器件的V_oc随环境温度变化曲线；

（b）在~19.8^oC和~55％RH环境条件下，V_oc随气流速度的变化关系；

（c）在25.0^oC的稳定环境温度下，V_oc随环境湿度的变化；

（d）输出性能测试系统的电路图；

（e）发电机输出性能随外部负载电阻的变化；

（f）HPG的输出功率随外部负载电阻变化。

图五、HPGs的扩展和应用
（a）在~20.2^oC和~53％RH环境条件下，V_oc和I_sc的随PVA@FCB@3DS宽度的变化关系；

（b-c）不同数量串联和并联集成HPGs的电源系统的V_oc和I_sc；

（d）4个HPGs组装的集成电源系统驱动数字计算器工作。

图六、可穿戴式自供电柔性传感系统的应用
（a）全固态水力发电纳米发电机在不同弯曲状态下的实测V_oc；

（b-c）HPG在释放状态和60^o弯曲状态下的V_oc的照片；

（d）基于便携式水伏发电机的自供电柔性传感系统的照片；

（e）自供能传感系统的电流随系统弯曲角度变化曲线；

（f）自供能传感系统用于肘部监测的实时电流变化曲线。

【小结】

综上所述，作者开发了一种以水蒸发为动力的可持续性柔性水伏发电机，展示了优秀的便携性、柔性、产电和长期稳定性。基于构建的PVA@FCB@3DS薄膜上的具有交叠双电层（EDL）纳米通道，HPG可以利用水的自发蒸发将周围的热量连续转换为电能，而无需任何外部能量供应，其V_oc和I_sc分别达到0.658 V和63 μA。此外，柔性HPG可以在较大范围的弯曲应变的状态下，保持稳定的产电性能。该便柔性携式水蒸发驱动的HPG突破了之前水伏发电机固定水槽的束缚，可以作为柔性可穿戴电子设备的柔性电源平台用于器件的能量供给，推动了水伏发电技术的器件形式和应用领域的进步。

文献链接：Sustainable and Flexible Hydrovoltaic Power Generator for Wearable Sensing Electronics （Nano Energy, 2020, DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.104663）

通讯作者简介

张珽，中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员，博士生导师。2007年取得美国加州大学河滨分校博士学位，2009年就职于中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所。
致力于传感器技术、柔性电子、纳米智能材料、可穿戴智能系统领域的研究，并在此基础上探索其在物联网、大健康、智能可穿戴设备等相关战略新兴产业的应用。以通讯作者在Advanced Materials, Science Advances, Nano Letters等期刊上发表SCI学术论文80余篇，申请了发明专利50余项，部分成果实现了产业转化。

本文由CQR编译。

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