梯度掺杂聚吡咯纳米阵列湿气发电机的优化

2025-09-29 理论教育版权反馈

【摘要】：开启电化学工作站，在0.8 V的工作电压下，通过恒电位的方法生长聚吡咯纳米线阵列，同时，开启反应釜上方的注射装置以控制反应釜中电解质的浓度随时间逐渐降低，嵌入聚吡咯纳米线的SDBS随着电解质浓度的降低而减少。图3.21借助AAO模板通过CCED 技术生长得到的GDNa图3.22GDNa的湿气-电学性能测试系统我们很容易认识到GDNw的集成可以实现好的发电效果。

纳米材料不仅在相应的宏观块体材料中能够体现出纳米器件的小尺寸效应，而且更适合通过集成和组装技术来满足大量的能量器件需求。接下来将前面制备出的GDNw进行垂直整合，制得具有梯度掺杂的纳米线阵列（GDNa），就像许多并联连接的纳米电池一样能够让输出电流和功率大幅提升。GDNa具有显著改善电流输出的效果，轻微的湿气刺激就可以产生140 nA的输出电流且电压能维持在75 mV。由单个纳米线组成的有序阵列不仅具有单个纳米线的特性，而且大大增加了电流/功率的输出，满足了对宏观用电设备供能的要求。该工作纳米阵列发电机为自供电设备和传感系统的供能提供了全新的方法与思路。

GDNa的制备采用的也是CCED技术。根据之前的工作可以知道，电解质的浓度决定了导电聚合物中的掺杂程度，而CCED技术的关键是在电沉积过程中，利用可变的电解质SDBS浓度来建立离子梯度。

取底部装有喷金后的AAO模板的反应釜，分别插入Pt片作为对电极，插入Ag/AgCl作为参比电极，由此制备GDNa的三电极体系搭建完成，将三电极接入电化学工作站中。将之前制备好的SDBS饱和溶液沿侧壁缓慢倒入反应釜中，再通过移液枪向溶液中滴加1 mL吡咯单体，轻轻搅拌至混合均匀。最后将之前准备好的注射滴加装置置于反应釜上方。

开启电化学工作站，在0.8 V的工作电压下，通过恒电位的方法生长聚吡咯纳米线阵列，同时，开启反应釜上方的注射装置以控制反应釜中电解质的浓度随时间逐渐降低，嵌入聚吡咯纳米线的SDBS随着电解质浓度的降低而减少。由此，借助AAO模板通过CCED技术生长得到的GDNa如图3.21所示。

将内部GDNa生长完成的AAO模板从容器底部取出置于10 mL小烧杯中，加入2 mol/L的NaOH溶液来刻蚀AAO，轻轻震荡烧杯，以致AAO完全溶解，获得梯度掺杂纳米线的阵列结构，缓缓倒掉溶液并用去离子水冲洗GDNa数次之后，将其放置在烘箱中烘干。最后获得底部喷金的GDNa薄膜。将切割规整的GDNa薄膜固定在两片金片之间，形成“三明治”结构。随后，将其放入密闭的测试容器中。GDNa的湿气-电学性能测试系统如图3.22所示。

图3.21　借助AAO模板通过CCED 技术生长得到的GDNa

图3.22　GDNa的湿气-电学性能测试系统

我们很容易认识到GDNw的集成可以实现好的发电效果。GDNa模型（图3.23（a））为宏观层面研究纳米发电机提供了重要的见解。为了定量测量对环境湿度的响应，把GDNa夹在两个带微孔的金电极之间，然后在封闭的相对湿度（RH）控制系统内将其连接到测试电路中。如图3.23（b）所示，GDNa发生器在相对湿度为80%的情况下，可以分别提供约80 mV和140 nA的稳定电压和电流输出。与GDNw类似，GDNa的电压/电流输出在不同的相对湿度下也显示出高分辨率和灵敏度，如图3.23（c）所示。由于厚度/长度和离子浓度梯度结构相同，因此输出电压与GDNw的值大致相同，而GDNa发生器的输出电流提高了两个数量级。(https://www.chuimin.cn)

图3.23　GDNa湿气-电学性能研究

（a）薄膜湿气发电机GDNa的测试过程；（b）GDNa薄膜湿气发电机响应湿度周期性变化（相对湿度= 80%）的脉冲电压和电流的输出稳定性；（c）不同的湿度环境（相对湿度= 20%、40%、60%和80%）下，输出脉冲电压和电流在约100 s的测试过程中的性能；（d）相对湿度与输出电压/电流与功率密度的关系

通过计算GDNa的最大输出功率可以达11.2 nW，而且还可以计算出在相对湿度为80%的情况下，一个脉冲周期内GDNa的Pc为1.64 nW。大量的GDNw相互并联能使输出电流变得很大。另外，面积最大输出功率密度为5.6 mW·m-2，在相对湿度为80%的情况下，最大输出功率密度高达0.41 W·kg-1。对输出功率密度有负面影响的主要因素是GDNa的几何特性，其直接暴露于外部环境的表面积较小。

值得注意的是，与块料相比，表面积较高的GDNa不仅具有更强、更稳定的产电性能，而且在功率输出方面也有更快的响应，在并不理想的湿气变化环境中也能实现电信号的快速输出。对于GDNw和GDNa来说，相对湿度和输出电压/电流之间的关系都是线性的，并且重复性非常好，如图3.23（d）左图所示。此外，GDNa的输出功率密度是在若干相对湿度条件下测得的，显然相对湿度增加有利于输出功率密度的提高（图3.23（d）右图）。鉴于此特性，除了用作湿气电纳米发电机外，精巧的GDNw/ GDNa器件还可作为环境中纳米/微米级的相对湿度监测和测量工具使用。

梯度掺杂聚吡咯纳米阵列湿气发电机的优化

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