GDNw产电机理及分析：深入探讨

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：图3.17纳米发电机GDNw湿气产电的过程机理第二阶段，在脱水过程中，当环境相对湿度回落到初始状态，湿度快速下降。这些结果证实了水合诱导产生正电压以及脱水引起负电压。根据图3.16中的装置对GDNw纳米器件进行湿气产电的性能测试。图3.18和3.18表示的是基于GDNw的产电器件能够产生稳定的脉冲电压和电流，在相对湿度为80%时，产生的电压值约为72 mV，在相同条件下，产生的电流值约为45 nA。图3.19中的实线三角形是GDNw中S元素的浓度分布。

科学家通过图3.17中的模型来解释GDNw湿气产电的过程和机理。整个测试过程是在一个专门建立的空间系统中进行的。在第一阶段，吸水阶段中，当GDNw纳米发生器接入测试电路并暴露于湿气中（如相对湿度=75%）时，GDNw因为聚吡咯的强亲水性能够吸收足够的气态水分子，由于GDNw中SDBS是呈浓度梯度分布的，因此吸水后从SDBS中解离出来的Na+在GDNw水化过程中沿GDNw长度方向产生了明显的浓度梯度分布。由于DDBSA-不能自由迁移（磺酸根离子的高电荷密度显著增强了聚吡咯与DDBSA-之间的静电相互作用，因此促进了聚吡咯与DDBSA-更好地结合，而且长柔性的DDBSA-会与聚吡咯分子链缠绕以及吡咯与苯环之间的π-π堆积作用也促进了DDBSA-在聚吡咯分子链中的固定），所以在离子浓度梯度的驱动下，只有Na+沿着GDNw自发地从高浓度侧迁移到低浓度侧。也就是说水分仅驱动了阳离子的定向运动。这导致发电机的电压/电流产生一瞬间的输出，如图3.18（a）和3.18（b）所示。

图3.17　纳米发电机GDNw湿气产电的过程机理

第二阶段，在脱水过程中，当环境相对湿度回落到初始状态，湿度快速下降。为了保持电中性，Na+会返回到初始位置，所以会产生短时的反向电压/电流。进一步观察得到，包括电压和电流输出在内的电输出信号大小表现出不对称行为，正脉冲的峰值明显高于负脉冲的峰值，如图3.18（e）所示。这一现象应该归因于亲水聚吡咯纳米线中的快速水合和缓慢脱水过程，让脱水过程中的电压/电流保持负值数秒，直到水分在慢速脱水过程中回落到初始值。这些结果证实了水合诱导产生正电压以及脱水引起负电压。

图3.18　GDNw湿气-电学性能研究

周期性湿度变化（相对湿度= 75%）让GDNw发电机的脉冲电压（a）和电流（b）保持稳定输出；在不同的相对湿度环境（25%、50%和75%）中，GDNw的输出脉冲电压（c）和电流（d）在每120 s测试过程中的相应变化；（e）电压（上）和电流（下）的一个完整周期输出情况；（f）相对湿度与功率密度的关系

样品搭在金微电极对上，置于具有通气阀的特制容器中，通过导线与外电路测试系统相连接。首先，以氮气鼓泡的形式使气态水分子进入特制容器以增加容器中的湿度；其次，通入干燥的氮气调控容器中的相对湿度。在上述测试过程中利用湿度检测仪可以实时监测容器中的湿度变化。

电学性能（电压和电流信号）测试，使用的仪器为吉时利公司2400型数字源表。

根据图3.16（b）中的装置对GDNw纳米器件进行湿气产电的性能测试。图3.18（a）和3.18（b）表示的是基于GDNw的产电器件能够产生稳定的脉冲电压和电流，在相对湿度为80%时，产生的电压值约为72 mV，在相同条件下，产生的电流值约为45 nA。电压/电流在400 s内没有任何衰减且能持续超过30个循环。这远远大于不含阴离子梯度掺杂SDBS的聚吡咯纳米线（电压约为0.02 mV，电流约为0.2 μA·cm-2），也要大于先前文献报道的氧化石墨烯所产生的电压（30 mV）、电流（5 μA·cm-2）。每个周期的电输出信号表明，电流输出是一种持续约6.5 s（0.15 Hz）的脉冲周期电流。此外，输出电信号的大小可以通过相对湿度的改变实现精确控制（图3.18（c）和3.18（e））。而且可以肯定的是，如图3.18（f）所示，输出电信号与相对湿度（在25%和50%的相对湿度水平下，脉冲输出电压/电流分别为22 mV/ 0.15 nA和45 mV/ 0.29 nA）之间存在正相关。一段时间（T）内的平均输出功率可以计算为：

式中，U表示输出电压；I表示输出电流。通过计算，在75%的相对湿度下，一个脉冲周期（T = 6.5 s）内平均输出功率（Pc）为4.85 pW。当式中的T足够大时，平均输出功率等于最大输出功率（Pmax）。所以最大输出功率可以计算为：

在相对湿度为75%的情况下，单根GDNw的最大输出功率高达32.4 pW。功率密度是能源设备中非常重要的参数，基于此，我们还分别按面积和质量计算了单根GDNw的最大输出功率密度：

式中，J代表最大短路电流密度；m代表单个GDNw的质量。计算出的最大输出功率密度为103.13 mW·cm-2，当相对湿度为75%时，最大输出功率密度高达9.0×104W·kg-1。结果表明，采用CCED方法，可以将所制备的湿式纳米发电机设计成具有高比表面积的一维结构，有利于离子的迁移，保证了循环稳定的高能量输出。

从一个周期内离子的迁移量和发电量进一步计算了离子发电效率（ηi），ηi可以超过14%。如GDNw的输出脉冲电流图（图3.18（e））所示，在发电周期（横坐标时间轴的上部）内对电流（I）进行积分，以获得电量（Q），随后得到电子的迁移量（ne），可通过下式计算：

式中，e是单个电子的电量。进而GDNw的质量m可以通过下述公式计算：

GDNw中P结构的总数为N，可以用式（3.8）计算：

其中，NA是阿伏伽德罗常数。含S元素的官能团缠结并固定在聚吡咯分子链上，因此，可以通过计算GDNw中S元素的分布来间接估计正离子（Na+）的初始分布。图3.19中的实线三角形是GDNw中S（Na）元素的浓度分布。理论上，迁移后，Na+的分布将达到平衡，如图3.19中的左侧虚线框所示（Na+浓度分布是均匀的），因此，阴影部分的面积（S1和S2）理论上可以认为是Na+的迁移量。

图3.19　GDNw中Na+理论迁移量的定量计算

NtransofNa+是Na+的迁移量，通过计算可以得到NtransofNa+=2.23×109，然后，可以通过式（3.10）计算离子发电效率（ηi）：

结果算出ηi=14.04%。

为了更精确地验证实验结果的准确性，我们还制备了两个对比样品。在制备对比样品的过程时，控制电解质SDBS浓度恒定，分别为5 mmol/L的低浓度和50 mmol/L的高浓度。但是由于纳米线中SDBS沿纳米线均匀分散，没有SDBS的梯度掺杂，因此，当施加湿气时（相对湿度=75%），不能提供足够的Na+浓度梯度，从而不能导致相应的离子迁移，结果自然是不能展现出很好的湿电性能。其对应的产电信号如图3.20所示。

图3.20　对应的产电信号

（a）恒定低浓度掺杂的湿电纳米发电机在湿度变化（相对湿度= 75%）时周期性响应的脉冲电压和电流；（b）恒定高浓度掺杂的湿电纳米发电机在湿度变化（相对湿度= 75%）时周期性响应的脉冲电压和电流

以上研究表明，设计的湿气纳米发电机可以在湿气条件下进行稳定的输出。这一结论与实验数据一致，同时，也揭示了大量阳离子在反应过程中发生定向迁移，产生响应电信号。发电效应精确可控的GDNw在便携式产品发电和促进纳米器件产业发展方面发挥着至关重要的作用。

GDNw产电机理及分析：深入探讨

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