近日，南华大学化学化工学院王宏青教授团队与重庆大学孙宽教授团队合作在国际知名期刊Small（IF：13.3，JCR一区）上发表了题为“Thermal-to-ElectricalConversionBasedonSalinityGradientDrivenbyEvaporation”的研究论文。该论文从离子型热电器件电压不稳的问题出发，通过剖析其内在机理，提出了一种新型的基于蒸发诱导的浓差发电机制，并研发出了相应器件。该成果得到国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的资助，本科生郑皓阳为论文学生第一作者，南华大学化学化工学院为论文署名第一单位。
(a) i-CGEG架构和工作机制示意图；(b)i-CGEG在不同温度下电压随时间的变化曲线；(c) 294 K和313 K之间相应热电压的线性拟合；(d)使用不同电极和(e)电解质测量的电压。
在离子导体两端构建阴阳离子浓度差是为可穿戴设备供电的一种有效发电策略。温度梯度或盐度梯度是这类设备的有效驱动力。但由于其器件结构复杂、应用条件苛刻，在实际应用中受到很大限制。本研究提出了一种基于电解质蒸发差驱动的新型离子浓度梯度发电装置。该装置无需半透膜即可构建，运行时也无需建立温差，具有结构简单，应用条件宽松的特点。作为演示，研究人员制备了一种PVA-Na离子水凝胶作为该装置的电解质，在323 K时获得了超过200 mV的热电压和77.94 J m-2的能量密度。在此基础上，研究人员进一步解析了该器件的工作机制，并探讨了电极材料、电解质等对器件性能的影响。此外，团队还构建了一个由16个子电池组成的模块，该模块在323 K温度下热电压可达2.5 V，具有一定的实际应用价值。
(a) i-CGEG在不同负载电阻下的放电曲线及其相应的能量密度(E1h)。I-CGEG在(b, c) 100次充放电循环和(d)长期开路下的稳定性评估。(e) i-CGEG为容量1000 uF、2200 uF和10000 uF电容器的充电曲线。(f)由16个i-CGEG子电池组成模块的图像及其在323 K下相应的开路电压(g)。(h)使用集成模块直接为LED供电图。
该团队成员进一步研究了该策略在柔性器件上的可实施性。考虑到可穿戴电子产品在使用过程中会受到频繁的拉伸、弯曲和压缩等机械变形，很容易就会从材料上脱落。项目检测了PVA-Na对不锈钢、塑料和玻璃等常用材料的粘结合性能，并研究了其拉升、弯曲特性，结果均表现良好。鉴于此，研究人员在手指上构建了一个微型i-CGEG柔性器件，单个器件通过利用人体体热就可输出0.18 V的电压，5个器件串联可输出0.7 V的电压，在传感及穿戴电子领域具有较大的应用前景。
PVA-Na在(a)弯曲、(b)粘附和(c)形态塑造方面的照片。(d)用于回收体温的i-CGEG手指可穿戴设备的照片；(e)收集的时间-电压曲线；(f)弯曲过程中的电流-时间曲线。具有5个子电池的可穿戴模块：(g)时间-电压曲线；(h)通过万用表测试的电压
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202311129
