外界环境对IGN阵列湿气产电性能的影响

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：结果显示三个IGN阵列纳米发电机都对相对湿度具有显著响应。不难发现，IGN阵列纳米发电机湿气产电性能在一定范围内随着阳离子价态的升高而提升。图3.31所示为IGN纳米发电机湿气产电性能随温度的变化趋势和电流信号持续时间。

1.相对湿度变化

图3.28　相对湿度变化对IGN阵列纳米发电机湿气产电性能的影响

（a）NaGN在pH=7环境中输出的脉冲电压；（b）NaGN在pH=7环境中输出的脉冲电流；（c）MgGN在pH=7环境中输出的脉冲电压；（d）MgGN在pH=7环境中输出的脉冲电流；（e）AlGN在pH=4环境中输出的脉冲电压；（f）AlGN在pH=4环境中输出的脉冲电流（以上IGN测试相对湿度分别为25%、50%和75%，测试过程约为800 s）

在研究相对湿度对三个IGN阵列纳米发电机产电性能的影响时，需要保持其温度和pH不变。结果显示三个IGN阵列纳米发电机都对相对湿度具有显著响应。在低价阳离子掺杂得到的聚吡咯纳米发电机中，其产生的开路电压和短路电流峰值相对较小。如图3.28（a）和图3.28（b）所示，在相对湿度分别为25%、50%和75%的测试环境中，NaGN纳米发电机的峰值输出电压可以达到22 mV、43 mV和60 mV，峰值输出电流可以达到69 nA、145 nA和216 nA；同时，MgGN纳米发电机的峰值输出电压可以达到37 mV、77 mV和108 mV，峰值输出电流可以达到107 nA、237 nA和328 nA，如图3.28（c）和图3.28（d）所示；在AlGN纳米发电机中，峰值输出电压可达51 mV、98 mV和137 mV，峰值输出电流可达 176 nA、341 nA和423 nA，如图3.28（e）和图3.28（f）所示。不难发现，IGN阵列纳米发电机湿气产电性能在一定范围内随着阳离子价态的升高而提升。在图3.29（a）和图3.29（b）中，NaGN、MgGN和AlGN纳米发电机与湿气相作用时，无论是电压还是电流都随着相对湿度的增大而增大。通过电沉积可以精确控制三个IGN中的离子浓度梯度，然而，由于阳离子的价态不同，不同的离子在相同的相对湿度下提供不同的载流子量和离子电阻，因此金属阳离子在不同价态下迁移产生不同的电荷量（Q）。此外，为了评估作为电源装置的IGN阵列发生器的实际工作条件及其最大输出功率以及比较纳米发电机之间的差异，选择负载电阻器作为测试方法。根据测量，NaGN、MgGN和AlGN分别产生178 nA、281 nA和376 nA的电路电流，以及57 mV、95 mV和129 mV的电路电压，如图 3.29（c）所示，同时，如图3.29（d）所示，通过计算发现在100 kΩ电阻负载下，上述三种纳米发电机的功率密度最大值分别可达到8.1 mW·cm-3、20.8 mW·cm-3和39.3 mW·cm-3。

图3.29　相对湿度对IGN设备湿气产电性能的影响

（a）不同相对湿度环境中IGN的最大输出电压；（b）不同相对湿度环境中IGN的最大输出电流（相对湿度分别为25%、50%和75%；NaGN和MgGN均在pH=7的环境中测试，而AlGN则在pH=4的环境中测试）；（c）在不同电阻负载条件下IGN的输出电压和电流；（d）在不同电阻负载条件下IGN的输出功率密度（右上角插图为等效电路图）

2.温度

温度与IGN湿气发电机之间的关系。我们尝试改变外界环境条件来研究纳米发电机的工作状态，发现温度是影响离子扩散速率的因素之一。随着温度的升高，纳米发电机的输出电流和电压都会升高（图3.30）。当水汽温度升至40℃时，对应于NaGN、MgGN和AlGN发生器的电压分别为52 mV、81 mV和103 mV，电流分别可达181 nA、276 nA和342 nA。电流的增长幅度与电压随温度升高的增长幅度并不相同，在图3.30（a）和图3.30（b）中表现为直线的斜率并不是完全相等，一般认为这是温度对阳离子在聚吡咯内部定向移动时所受的扩散阻力产生影响。离子的扩散系数（D）根据式（3.13）计算：

图3.30　三种IGN阵列纳米发电机在不同温度下输出的电压和电流

（a）NaGN在不同的温度下输出的脉冲电压；（b）NaGN在不同的温度下输出的脉冲电流；（c）MgGN在不同的温度下输出的脉冲电压；（d）MgGN在不同的温度下输出的脉冲电流；（e）AlGN在不同的温度下输出的脉冲电压；（f）AlGN在不同的温度下所能输出的脉冲电流（测试过程持续约为800 s）

式中，R是气体常数；T是绝对温度；A是电极的表面积；n是每个迁移阳离子对应的电子数；F是法拉第常数；C是金属离子的浓度；σ是Warburg因子。通过上述公式我们得到的结论是扩散系数与温度正相关。另外，温度的升高导致IGN的内阻降低。通过降低内部电阻也可以改善输出功率。相对于图3.30（a）中的电压，内阻的减小在改善输出电流方面更有效，如图3.30（b）所示，可以观察到，在相同的温度范围内（10～40℃），输出电流增加得更快（斜率更大）。图3.30（c）说明了在相同的温度情况下，IGN纳米发电机输出电流的持续时间随着阳离子价态的升高而变长，这是因为在同等长度下，阳离子价态越高，所受的静电吸引力越大，当阳离子定向移动时，其所受阻力越大，速度越慢，因此电流持续时间越长。另外，不管NaGN、MgGN还是AlGN，样品的输出电流可持续的时间都随着温度的升高而变长。能够推测温度升高促进电解质电离产生更多的阳离子，因此阳离子越多，总体定向移动所需的时间越长，产生的电压也越大，与图3.30（c）所述是一致的。

图3.31所示为IGN纳米发电机湿气产电性能随温度的变化趋势和电流信号持续时间。

图3.31　IGN纳米发电机湿气产电性能随温度的变化趋势和电流信号持续时间

（a）NaGN、MgGN和AlGN纳米发电机在一定范围内（从10℃升到40℃）随着温度变化所能输出的最大开路电压变化趋势；（b）NaGN、MgGN和AlGN纳米发电机在一定范围内（从10℃升到40℃）随着温度变化所能输出的最大短路电流变化趋势；（c）IGN纳米发电机在不同温度下产生最大短路电流与电流信号持续时间以及NaGN、MgGN和AlGN在不同温度（分别为10℃、25℃和40℃）下的单脉冲电流输出曲线（电流信号的持续时间是通过超过10个电流输出循环稳定以后获得的）

3.酸碱性（pH）

接下来研究pH和IGN湿气发电机之间的关系。pH也会极大地影响金属阳离子的迁移，从而影响纳米发电机的发电性能。分别使用特定浓度的HCl溶液和NH3溶液来构建酸性（pH=4）和碱性（pH=9）水蒸气（水分）气氛（相对湿度=50%，T=40℃）。图3.32和图3.33显示在给定的相对湿度气氛下，NaGN和MgGN产电器的发电性能没有随着pH从4.0变化到8.0而发生变化，因为NaGN产电器中Na+浓度和MgGN产电器中的Mg2+没随着pH增加而显著降低。但是随着pH的增加，AlGN发电机的发电性能下降，并且下降特别明显。对于Al3+，在较低pH时的主要形式是Al水合物离子，还存在少量OH-Al单体和/或聚合物，这时，Al水合物离子仍然可以通过纳米线通道扩散和迁移，并且产生电信号。然而，在高pH环境中的Al3+发生化学沉淀，如以下化学平衡所示：

图3.32　三种IGN阵列纳米发电机在不同pH环境中输出的电压和电流情况

（a）NaGN在不同pH下输出的脉冲电压（b）NaGH在不同pH下输出的脉冲电流；（c）MgGN在不同pH下输出的脉冲电压；（d）MgGN在不同pH下输出的脉冲电流；（e）AlGN在不同pH下输出的脉冲电压；（f）AIGN在不同pH下输出的脉冲电流（测试过程持续约800 s）

图3.33　IGN纳米发电机产生的脉冲电压和脉冲电流随pH变化的趋势

（a）NaGN、MgGN和AlGN三种纳米发电机在水蒸气气氛下pH从4升到8时，输出电压峰值的变化趋势；（b）NaGN、MgGN和AlGN三种纳米发电机在水蒸气气氛下pH从4升到8时，输出电流峰值的变化趋势

Al3+在中性和碱性水合环境中，溶度积常数（pKsp）为32.88，在这种条件下生成的 Al（OH）3在聚合物的层间表面沉淀，因此，随着Al3+从水合物变为氢氧化物，其溶解度将降低并且可传输的Al3+的量将变得越来越少。另外，在Al3+水解过程中也产生大量H+，其也可以在浓度梯度的驱动下扩散和迁移，然而，不溶性和非导电性的Al（OH）3沉淀的形成严重阻碍了H+的迁移，大大降低了AlGN湿气发电机的发电性能。

外界环境对IGN阵列湿气产电性能的影响

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