石墨烯/碳納米管涂層多孔器件，用于水蒸發、發電和濕度計應用

1成果簡介

自然環境中蘊藏著大量未開發的能源，因此從清潔、可再生的資源中獲取電力已成為全球當務之急。一種新型的水蒸發誘導發電技術已引起廣泛關注。本文，清華大學李震 教授團隊在《Energy Fuels》期刊發表名為“Graphene/Carbon Nanotube (G/CNT)-Coated Porous Devices for Water Evaporation Electricity Generation and Humidistat Applications”的論文，研究提出了一種多孔發電裝置，通過將石墨烯/碳納米管（G/CNTs）直接涂覆在經水刺法制備的多孔纖維織物上，該裝置可在水刺激下發電。

該方法形成了接近德拜長度的分級多孔結構，從而促進了電能的產生。僅需少量G/CNTs即可實現這種發電性能；功率越大并不一定越好。提高鹽溶液濃度可顯著增強發電性能。溫度升高和相對濕度降低會驅動產生更多的電能。在25 °C和40% RH的條件下，每個裝置平均開路電壓為116 mV，短路電流為1202 nA。將該發電裝置與恒濕設備集成，可應用于數據中心，實現環境管理與可再生能源發電的協同效應。在標準工作條件下，將發電模塊作為濕膜使用的恒濕機，其加濕效率差異小于3%。隨著環境溫度和風量的增加，相對濕度會降低，這有利于提高加濕能力和發電能力。該集成系統實現了2.99 V的開路電壓和1.83 mA的短路電流，為水蒸發發電的應用提供了新途徑。

2圖文導讀

圖1. (a) Fabrication of the material. (b) Porous material mixed with EVA and PP fabricated by the spunlaced process. (c) Size of the material. (d) Picture of the generation device.

圖2. Characterization of the material: (a) SEM of the original material; (b) SEM of the material coated with CNTs; (c) SEM of the material coated with graphene; (d) SEM of the material coated with G/CNTs; (e) AFM of the material with G/CNTs; (f) ζ-potential and conductivity of the material; and (g) the process before, during, and after droplet contact and adsorption.

圖3. (a) Open-circuit voltage of the device with the material coated with and without G/CNTs; (b) output electrical performance of the device with the different materials; (c) output voltage, current, and power of the device with the material coated with G/CNTs at 40% RH and 25 °C with external resistances varied from 1 to 107 Ω; (d) output electrical performance of the device with different electrodes; and (e) principle diagram.

圖4. (a) Output power generation performance of the device with different G/CNT contents; (b) output power generation performance of the device under different concentrations of NaCl; (c) short-circuit current of the device under different environmental conditions; (d) open-circuit voltage of the device under different environmental conditions; (e) open-circuit voltage of devices connected in series; and (f) short-circuit current of devices connected in parallel.

圖5. Comparison of the power generation performance.

圖6. Output performance of the device: (a) constant humidity machine and its application; (b) open-circuit voltage of the constant humidistat machine; (c) short-circuit current of the constant humidistat machine; (d) humidification capacity under 90% air volumes; and (e) power generation performance under 90% air volumes.

3小結

綜上所述，開發了一種發電材料，通過將石墨烯/碳納米管（G/CNTs）涂層在通過紡絲工藝制備的多孔EVA/PP纖維基體上制成，能夠在水刺激時產生電能。核心原理是將G/碳納米管直接應用于該多孔基質，體現了基于水蒸發的發電技術的實際應用。紡絲過程產生豐富的孔隙，涂層G/碳納米管進一步形成納米到微米級的層級孔隙度，增強電雙層（EDL）效應并促進電能產生。這種在紡絲穿刺多孔材料上的直接涂層方法適合大規模生產，簡單、高效且經濟。

本研究制備的電學器件實現了116 mV的開路電壓和1202 nA的短路電流。應避免過量負載G/CNT，否則會導致整個器件導電性過強。使用鹽溶液可提供豐富的離子，從而獲得更高的電流和電壓輸出。環境與材料本體之間更大的電位差梯度可提升發電性能。最后，將這種水刺激發電方法集成到恒濕機中，可替代其中的“濕膜”，從而實現濕度控制與發電的同步進行。該集成系統實現了2.99 V的開路電壓和1.83 mA的短路電流。在標準工作條件下，采用發電模塊作為濕膜的恒濕機，其加濕效率差異小于3%。隨著環境溫度和風量的增加，相對濕度會降低，這有利于提高加濕能力和發電能力。本研究為發電應用及恒濕機的開發提供了新的見解。未來為提升性能可重點開展以下工作：

(i) 制備更多德拜長度尺度的孔隙；

(ii) 提高材料的表面電荷密度；

(iii) 提升電子元件的集成效率。

文獻：

https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.5c06412

來源：材料分析與應用