中科院蘇州所張珽團隊 Nano Energy：基于可持續柔性水伏發電機的自供能可穿戴傳感系統

【文章亮點】

1、針對柔性電子器件對能源輕量化、柔性化及可持續性的需求，構建了基于水伏效應的柔性納米發電機及可穿戴自供能柔性傳感系統。

2、突破目前水伏發電機固定水源束縛，結合超吸水水凝膠構建了蒸發驅動的柔性便攜式水伏發電機。

3、實現了柔性水伏納米發電機長時間持續穩定發電，拓展了環境能量采集用于柔性可穿戴電子設備便攜式電源的應用。

【背景介紹】

近十年來，隨著智能柔性可穿戴設備在醫療健康監護、人機融合、人工智能等領域的廣泛應用，柔性電子技術向智能化、集成化、多功能化的方向快速發展。然而，盡管柔性電子器件在降低功耗方面取得了重要進展，但能源的供給和消耗依然是柔性電子發展最關鍵的限制因素。傳統化學電池等電源設備依然存在體積大、無法輕量化和柔性化等問題。近年來，利用光伏、熱電、摩擦電和壓電感應發電等技術從環境中收集能量為解決上述問題提供了新的方向。解決電子器件可持續能源供給問題，研究開發基于新型能源高效采集的自主式供電柔性傳感器成為柔性智能電子的重要研究方向。

眾所周知，地球表面70％以上都被天然水體覆蓋，是含量最豐富的資源之一。無論地理位置或環境條件如何改變，天然水都可以通過吸收熱能而自發地流動和蒸發。水消耗的能量占地球接收到太陽能量的35%，約60萬億千瓦（10¹⁵ W），如果能夠將小部分的能量捕獲和有效利用，得到的能量就可以滿足現在人類的生活需求~18萬億瓦（10¹² W）。最近，已報道了一種通過納米結構與水的流動、波動、滴落和蒸發直接相互作用來發電的能量轉換效應，被稱為水伏效應（hydrovoltaic effect），這種效應為解決柔性傳感系統的能源可持續供給提供了新的思路。然而，如何在變形條件下實現穩定發電和高輸出功率，并實現輕量化、柔性化可穿戴傳感微系統依然面臨很多挑戰。

【成果簡介】

針對上述挑戰，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所的張珽研究員（通訊作者）團隊研制了一種可持續產電的柔性水伏發電機，并以此為便攜式柔性能源構建了柔性可穿戴自供能傳感系統。通過聚乙烯醇（PVA）將功能化碳納米顆粒(FCB)牢固粘附到三維海綿骨架 (3DS)上，并將PVA@FCB@3DS三維薄膜與高吸水性水凝膠組裝構建水伏發電機（HPGs）。該水伏發電機在環境條件（20.4^oC、55％RH）下，可實現高達63 μA的持續短路電流和8.1 μW的最優有效輸出功率，單次使用時間超過了150 h。此外，該柔性水力發電裝置可以承受大范圍的彎曲變形（最大120°）而不會發生明顯的性能變化，這賦予了HPGs用作可穿戴電子柔性便攜式電源的能力。研究成果以題目為“Sustainable and Flexible Hydrovoltaic Power Generator for Wearable Sensing Electronics”發表在Nano Energy上。本文第一作者：李連輝。

【圖文解析】

圖一、水蒸發驅動的HPG和材料表征
（a）水伏發電機的結構示意圖。

（b）超吸收性水凝膠吸水狀態的典型光學照片；

（c）FCBs的高分辨率O1s X射線光電子能譜（XPS）光譜；

（d）PVA@FCB的典型HR-TEM圖像；

（e）PVA@FCB@3DS膜的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像；

（f）PVA@FCB層的高分辨率SEM圖像；

（g）PVA@FCB@3DS膜的橫截面SEM圖像；

（h）揉搓FCB@3DS薄膜和PVA@FCB@3DS薄膜過程及之后的典型光學照片。

圖二、水蒸發驅動的HPGs的發電性能

（a）HPGs中的水流路徑示意圖。

（b-c）水蒸發驅動HPGs的工作原理示意圖。

（d-e）在環境條件下，HPG工作150 h產生的V_oc和短路電流（I_sc）；

（f）水蒸發驅動的水伏發電機的極性測試；

（g）將器件密封在培養皿過程中HPG的開路電壓變化曲線；

（h）處于密封狀態的重疊雙電層（EDL）納米通道的示意圖；

（i）由3DS、CB@3DS、PVA@3DS、PVA@CB@3DS和PVA@FCB@3DS薄膜構成的水伏發電機的V_oc。

圖三、PVA@FCB@3DS薄膜的結構分析
（a）PVA@FCB@3DS薄膜中水的分布的光學照片；

（b-c）插圖中的b中顯示了七個電極位置，HPG的兩個電極之間的飽和狀態電壓差；

（d）PVA@FCB@3DS薄膜的示意圖顯示了液態水的分布和流路。

圖四、環境條件對HPG發電和輸出性能的影響
（a）器件的V_oc隨環境溫度變化曲線；

（b）在~19.8^oC和~55％RH環境條件下，V_oc隨氣流速度的變化關系；

（c）在25.0^oC的穩定環境溫度下，V_oc隨環境濕度的變化；

（d）輸出性能測試系統的電路圖；

（e）發電機輸出性能隨外部負載電阻的變化；

（f）HPG的輸出功率隨外部負載電阻變化。

圖五、HPGs的擴展和應用
（a）在~20.2^oC和~53％RH環境條件下，V_oc和I_sc的隨PVA@FCB@3DS寬度的變化關系；

（b-c）不同數量串聯和并聯集成HPGs的電源系統的V_oc和I_sc；

（d）4個HPGs組裝的集成電源系統驅動數字計算器工作。

圖六、可穿戴式自供電柔性傳感系統的應用
（a）全固態水力發電納米發電機在不同彎曲狀態下的實測V_oc；

（b-c）HPG在釋放狀態和60^o彎曲狀態下的V_oc的照片；

（d）基于便攜式水伏發電機的自供電柔性傳感系統的照片；

（e）自供能傳感系統的電流隨系統彎曲角度變化曲線；

（f）自供能傳感系統用于肘部監測的實時電流變化曲線。

【小結】

綜上所述，作者開發了一種以水蒸發為動力的可持續性柔性水伏發電機，展示了優秀的便攜性、柔性、產電和長期穩定性。基于構建的PVA@FCB@3DS薄膜上的具有交疊雙電層（EDL）納米通道，HPG可以利用水的自發蒸發將周圍的熱量連續轉換為電能，而無需任何外部能量供應，其V_oc和I_sc分別達到0.658 V和63 μA。此外，柔性HPG可以在較大范圍的彎曲應變的狀態下，保持穩定的產電性能。該便柔性攜式水蒸發驅動的HPG突破了之前水伏發電機固定水槽的束縛，可以作為柔性可穿戴電子設備的柔性電源平臺用于器件的能量供給，推動了水伏發電技術的器件形式和應用領域的進步。

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

通訊作者簡介

張珽，中科院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員，博士生導師。2007年取得美國加州大學河濱分校博士學位，2009年就職于中科院蘇州納米技術與納米仿生研究所。
致力于傳感器技術、柔性電子、納米智能材料、可穿戴智能系統領域的研究，并在此基礎上探索其在物聯網、大健康、智能可穿戴設備等相關戰略新興產業的應用。以通訊作者在Advanced Materials, Science Advances, Nano Letters等期刊上發表SCI學術論文80余篇，申請了發明專利50余項，部分成果實現了產業轉化。

本文由CQR編譯。

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