实际应用：IGN阵列纳米发电机

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：在弄清楚以上影响IGN阵列纳米发电机湿气产电的条件之后，继续开展在一定条件下不同价态IGN湿气产电稳定性能的研究工作，以证明其有潜力在人类未来生活中发挥实际应用价值。最后，对AlGN阵列纳米发电机进行测试。这都说明了本节中所设计的利用湿气能量转换为电能的基于高价载流子迁移的IGN阵列纳米发电机具有很有光明的实用前景。

在弄清楚以上影响IGN阵列纳米发电机湿气产电的条件之后，继续开展在一定条件下不同价态IGN湿气产电稳定性能的研究工作，以证明其有潜力在人类未来生活中发挥实际应用价值。我们随后在特定的实验条件下去研究IGN阵列湿气产电的稳定性。正如图3.34（a）和图3.34（b）中展示的一样，NaGN在此条件下能够循环超过500次，同时，其开路电压和短路电流在整个测试过程中并无明显波动，证明了其具有良好的稳定性。可以发现，MgGN阵列纳米发电机在相同的实验条件下产生更高的电能，并且在不断反复地吹湿气和干燥氮气的情况下，能够循环超过500次，其开路电压和短路电流也特别稳定（图3.34（c）和图3.34（d））。最后，对AlGN阵列纳米发电机进行测试。从测试得到的图3.34（e）和图3.34（f）中可以看出，AlGN阵列纳米发电机在经历了超过500次循环后，仍然能够输出很稳定的开路电压和短路电流，因此，从以上测试结果中能够得出的结论是，在接近于实际生活的环境中，不仅仅是低价态的NaGN阵列纳米发电机能够在经历了超过500次湿气干燥氮气循环后电压和电流依然保持稳定，高价态的MgGN和AlGN阵列纳米发电机也能够在超过500次的循环测试下维持其产电性能基本不变。这都说明了本节中所设计的利用湿气能量转换为电能的基于高价载流子迁移的IGN阵列纳米发电机具有很有光明的实用前景。

图3.34　IGN纳米发电机湿气产电的循环稳定性

（a）NaGN在长期的湿气产电循环测试过程中所能输出的开路电压；（b）NaGN在长期的湿气产电循环测试过程中所能输出的短路电流；（c）MgGN在长期的湿气产电循环测试过程中所能输出的开路电压；（d）MgGN在长期的湿气产电循环测试过程中所能输出的短路电流；（e）AlGN在长期的湿气产电循环测试过程中所能输出的开路电压；（f）AlGN在长期的湿气产电循环测试过程中所能输出的短路电流（三者循环测试次数均大于500个循环，测试条件为相对湿度为50%，温度为25℃，pH为7）

为了在不同环境中实现令人满意的发电性能，选择具有良好环境适应性的高性能MgGN发电机作为集成装置的组件。如图3.35（a）和图3.35（b）所示，黏附在具有瓦片结构的无纺织物上的4个MgGN发电机单元分别通过串联和并联连接显示出高达0.35 V以及1.75 μA的电能输出。从理论上讲，当需要更高的功率时，通过串联和并联方式连接IGN发电机单元，可以很容易地将输出电能提升到任何值。为了验证纳米发电机的实际应用，我们开发设计了一个系统，其中集成25个MgGN发电机单元的功率组件（图3.36）（集成规模：5×5），换句话说，集成的纳米发电机理论输出电压和电流是单个发电机的5倍。在图3.35（c）中的左侧箭头附近，连接有交流-直流转换器、小型温湿度计和商用电容器。双控开关分别用于连接电容器—MgGN发电机和电容器—温湿度计。双控开关的端点A连接到端点B时，将MgGN湿气发电机暴露于湿气，就可以对商用电容器充电，然后将双控开关的端点A连接到端点C时，电容器将为温湿度计供电，从而实现电力存储和实际应用。

呼吸是人类身体与外部环境之间的气体交换过程。正常成人的呼吸次数为16～20次/分，正好是3～4 s/次。每次吸入和呼出的气体量约为500 mL，这一数量称为潮气量。呼吸能量收集和应用是一种非常有吸引力的自产电方式。这将有助于在日常生活中从人体活动收集更多的潜在的微小能量。如图3.37（a）所示，受益于合适的呼吸速率，可以将脉冲电信号周期4.8 s的MgGN发电机整合到口罩中实现呼吸能量的连续收集和存储，然后通过将MgGN发电机与商用电容器集成来组装自供电呼吸温湿度监测口罩（SPBHM），其模拟电路图如图3.38所示。

图3.35　电力存储和实际应用

（a）分别串联连接1个、2个和4个MgGN器件产生的脉冲电压输出（相对湿度=75%，T=40℃，pH=7）；（b）分别并联连接1个、2个和4个MgGN器件产生的脉冲电流输出（相对湿度=75%，T=40℃，pH=7）；（c）集成25个MgGN的发电机系统

图3.36　MgGN纳米发电机阵列集成体的实物图

（a）单个1.5 mm×1.5 mm的多孔不锈钢电极的示意图；（b）将（a）中的25对多孔不锈钢电极与 MgGN组建成25个MgGN纳米发电机，并将这25个MgGN纳米发电机阵列用铜线进行串并联集成在无纺布上（集成度：5×5）

集成的MgGN纳米发电机安装在口罩的过滤器上。其中，湿气流和干气流可以在人体呼吸下很好地交替。“湿-电”来自人体呼出的空气与外部环境中的空气之间的湿度差。通常，人体呼出气体的相对湿度约为40%，因此SPBHM可在干燥气氛中收集更多能量（相对湿度＜20%）。小型温湿度计的探头朝内并固定在口罩上，如图3.37（b）所示，可以实时监测人体的呼吸状况，其中双控开关允许在电容器充电和呼吸监测之间切换。当MgGN发电机器件和两个电容器（2 μF）形成闭合电路（充电模式，图3.37（c））时，在呼吸引起的连续湿度变化下，电容器可在10 000 s内充电至1.4 V，然后将湿温度仪与电容器进行连接，湿温度仪可以进行正常工作，其液晶显示屏上清晰显示26.3℃和78.9%相对湿度的实时人体呼吸参数（图3.37（d））。

图3.37　MgGN的蓄电和实际应用：SPBHM（见彩图）

（a）SPBHM的内部结构；（b）SPBHM的外部结构；（c）充电模式下，实验人员佩戴SPBHM，实现对SPBHM的充电；（d）工作模式下实验人员佩戴SPBHM，可实时监测温湿度计上显示的实验人员呼吸气体的温度与湿度

图3.38　在整流器与电容器的辅助下，口罩中IGN纳米发电机湿气产电提供电能使湿温度仪正常工作的电路图

实际应用：IGN阵列纳米发电机

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