交流式湿度发电机用于环境能量收集
在过去的几十年里，绿色和可再生能源已经成为传统化石能源的重要补充。一种新的基于质子传输、离子传输或电动反应机制的湿度-发电效应也可以用于构建能量收集器件，利用外界湿度产生电能。然而这些器件的持续运行时间段通常是间歇性和短暂的，通常需要不断吸水/脱水循环。为解决这一问题，加州大学伯克利分校林立伟教授与澳门大学钟俊文教授合作，开发了一种可在相对稳定湿度条件下长时间工作并兼具高能量密度的湿度发电机。该研究描述了Poly([2-(methacryloyloxy)ethyl] dimethyl-(3-sulfopropyl) ammonium hydroxide-co-acrylic acid)聚合物凝胶中由水分引起的电位自主振荡的独特现象：当暴露于一定程度的水分时，聚合物凝胶的表面电位将发生振荡并产生交流电输出，可以产生峰值0.4 V的交流电压。
图1. (a) Poly([2-(methacryloyloxy)ethyl] dimethyl-(3-sulfopropyl) ammonium hydroxide-co-acrylic acid)聚合物凝胶；(b) 聚合物凝胶表面电位振荡的示意图；(c) 基于聚合物凝胶设计的湿度发电机。(d) 发电机输出的交流电压。
Poly([2-(methacryloyloxy)ethyl] dimethyl-(3-sulfopropyl) ammonium hydroxide-co-acrylic acid)聚合物凝胶的表面电位振荡来自化学振荡反应导致的氢离子浓度变化。研究者通过动力学模拟对化学反应进行建模，同时分析系统动力学方程和稳定性矩阵，揭示了表面电位振荡的基本原理与化学反应过程。利用周围环境中的水分作为激发源，这种自激发的表面电位振荡可以在基于表面反应的设备和系统中拥有广泛的潜在应用。
图2. Poly([2-(methacryloyloxy)ethyl] dimethyl-(3-sulfopropyl) ammonium hydroxide-co-acrylic acid)聚合物凝胶表面电位振荡的化学反应循环。
该研究报道的交流式湿度发电机在单次水分激活的情况下能持续工作超过15000秒，发电的能量密度为16.8 mJ/cm2，综合发电能力由于大部分已报道的湿度发电机。此外，将5个发电机串联连接并放置于浴室中可产生 2 伏输出电压，点亮液晶显示器。
图3. (a) 湿度发电机的工作时间和输出能量对比；(b) 5个发电机串联连接的输出电压；(c)5个 串联连接的发电机放置于浴室中点亮液晶显示器。
这一成果近期发表于Nature Communications，文章第一作者为加州大学伯克利分校博士研究生龙雨，通讯作者为加州大学伯克利分校林立伟教授与澳门大学钟俊文教授。
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Moisture-induced autonomous surface potential oscillations for energy harvesting
Yu Long, Peisheng He, Zhichun Shao, Zhaoyang Li, Han Kim, Archie Mingze Yao, Yande Peng, Renxiao Xu, Christine Heera Ahn, Seung-Wuk Lee, Junwen Zhong & Liwei Lin
Nat. Commun., 2021, 12, 5287, DOI: 10.1038/s41467-021-25554-y