利用大氣環境中水蒸發或濕氣中能量產生電能是近幾年能源領域研究的熱點，作為新型的綠色能源，其優點是成本低廉、可大規模制備和無需額外機械能的輸入。經過近幾年的發展，水伏器件的功率密度已經大幅度提升。2020年，蘇州大學FUNSOM研究院孫寶全教授課題組報道了一種新型的基于硅納米線陣列的水蒸發驅動的水伏器件，并取得了高于同類器件三個數量級的功率密度 （Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 2–9）。然而相較于其他可再生能源器件，目前的水伏發電器件仍存在輸出功率低的問題。其中，電極處緩慢的水蒸發速率和低效的電荷收集是限制其輸出功率大小的兩個主要問題。
圖1 基于仿生多級孔纖維織物電極的硅納米線水伏器件工作示意圖
近日，該團隊設計開發了一種使用仿生多級孔纖維織物作為上電極的硅納米線水伏器件，得益于該織物電極具有的有利于水分快速蒸發、有效電荷提取和快速電荷傳輸的優點，該水伏器件可以持續輸出550 mV的開路電壓，22 μA/cm2的短路電流密度和10 μW/cm2的功率密度 （如圖1），且該值高于文獻已報道的器件功率密度。
圖2 多級孔纖維織物電極工作機理示意圖
該研究工作的創新點在于設計了一種由導電石墨/導電高分子（PEDOT:PSS）/織物組成的具有多級孔結構的仿生電極。受植物中天然維管束分層多支結構啟發，該團隊制備了一種兼具快速水蒸發和高效電荷傳輸特性的新型高分子電極，實現高導電率的同時具有很好的透水（水蒸發速率快）作用，其中導電高分子PEDOT:PSS作為內層（核），石墨作為外層（殼）。該多級孔織物電極由大尺寸孔道、微米孔及納米孔組成（如圖2）。經BET吸附實驗可以證明石墨層/導電高分子（PEDOT:PSS）具有較大的比表面積，因此提供了大量的汽化核和水存儲場所；而且微米孔和大尺寸孔提供了連續的毛細通道，有利于水分的快速輸運和補充。此外，該織物電極的另一個優勢是電荷的收集和傳輸分別在石墨層和PEDOT:PSS層中實現，高導電的PEDOT:PSS高分子層可以為電荷的快速傳輸提供橫向輸運通道。
經過串聯連接，該水伏器件可以實現更大的功率輸出，且在為商用LED供電方面具有很大潛力（如圖3）。室溫條件下，4個水伏器件串聯連接即可點亮一個商用紅色LED，且該LED至少可以保持7小時的工作時間。此外，具有更大功率和閾值電壓需求的藍色和綠色LED可通過6個串聯連接的器件驅動。因此，經過優化后，該水伏器件可持續輸出電能以滿足日常電子設備的供電需求。
圖3 硅納米線水伏器件在供電方面的潛在應用
該研究工作近期以“Bioinspired Hierarchical Nanofabric Electrode for Silicon Hydrovoltaic Device with Record Power Output”為題發表在ACS Nano上，論文通訊作者為王玉生博士后、李述湯院士和孫寶全教授，第一作者為邵貝貝博士。該課題組一直致力于新型硅基能源器件方面的研究，該工作為基于半導體納米結構設計開發新型能源器件提供了新的研究思路。
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.1c00891
導師介紹：
孫寶全教授：http://web.suda.edu.cn/bqsun/
