港城大《AFM》：单片集成灵活而坚固的液滴发电机！

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开发从周围环境中获取能源的强大技术对于自供电电子产品的应用至关重要。作为一种很有前途的候选方案，由电极和介质材料组成的晶体管启发结构的液滴发电机表现出了从水中获得可持续能源的优越能力。尽管取得了广泛的成就，但由于不可避免的机械磨损、化学腐蚀以及电极和介质材料的界面分离，这些器件仍然受到灵活性不足和性能不稳定的严重限制。

来自香港城市大学的学者报告了一种简单的方法来构建一种基于液滴的单片集成发电机(MI-DEG)设备，该设备能够实现高灵活性和坚固的电气性能。MI-DEG设备的灵活性和坚固性的关键在于精心利用热融合策略，使特殊设计的聚合物电极和介质材料无缝集成在一起。结果表明，MI-DEG在长期机械变形和磨损下具有稳定的电输出，衰减可以忽略不计，在恶劣的腐蚀环境下保持了60%以上的电输出性能，而不是传统的完全失效。本研究为柔性、坚固耐用的发电机的合理设计提供了一条有希望的途径，使其在实际应用中又近了一步。相关文章以“Monolithic Integrated Flexible Yet Robust Droplet-Based Electricity Generator”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202206705

图1.单片集成液滴式发电机（MI-DEG）的图解和表征。a）MI-DEG的横截面示意图和放大图像，显示顶部电极/介电层界面，其中电气元件被热熔合固定。b） DEG 和放大图像的横截面示意图，显示了顶部电极/介电层界面，其中电气元件通过氢键组装。c）用热熔技术在两个加热板（300 ℃）之间构建MI-DEG的示意图，依次组装顶部导电PFA电极，PFA介电层和底部导电PFA电极。d）制造的MI-DEG的照片。e） MI-DEG 电气元件的 XPS 光谱。

图2.增强MI-DEG的机械性能。a）MI-DEG的应力-应变曲线。b） MI-DEG在不同力学作用下的应力-应变曲线。c）顶部电极保持率与 3 M 透明胶带剥落次数的函数关系 d）MI-DEG中电气元件之间的剪切强度，比传统界面粘接大两个数量级。e）MI-DEG和常规界面粘结在不同溶液中浸泡后的剪切强度降低比。f）不同储存天数下MI-DEG抗剪强度的变化。误差线对应于测量的标准偏差。

图3.MI-DEG的高而稳定的电气性能。a）来自 MI-DEG 的输出电压。撞击液滴的频率设定为 6 Hz，每个液滴的体积为 24.0 μL。b） MI-DEG 的输出电流。撞击液滴的频率设定为 6 Hz，每个液滴的体积为 24.0 μL。c）撞击液滴在 MI-DEG 上产生的转移电荷的随时间变化。d）在MI-DEG上液滴与顶部电极接触之前和之后的数值计算电位分布。e） MI-DEG的输出电压作为弯曲曲率的函数。f） MI-DEG的电气性能与屈曲循环的函数关系。g） MI-DEG的输出电压与磨损循环的函数关系。h） MI-DEG的输出电荷作为磨损循环的函数。i） MI-DEG在水下储存2个月后的电气性能。

图4.MI-DEG的鲁棒性和通用性。a）完全浸入 2 M HCl 中的MI-DEG 在浸泡时间内的电气性能变化。b）完全浸入 2 M NaOH 中的 MI-DEG 在浸泡时间内的电气性能随浸泡时间的变化。c） MI-DEG与先前报告的DEG之间的比较。d）不同负载电阻下的峰值电流和相应的峰值功率密度。e） MI-DEG在不同电容器下的充电能力。f）从不同的水资源中获取能源。

图5.MI-DEG在智能系统中的应用演示.a） MI-DEG为电子设备供电的原理图电路。b） MI-DEG的充电能力，在1000μF的电容器下，撞击液滴的频率设置为15 Hz，液滴尺寸为50 μL。c） MI-DEG驱动的智能系统，用于精确监控和无线传输温度、湿度、大气压力和振动，并通过蓝牙将实时数据共享到手机。

总之，本研究已经通过简单的热聚变技术展示了一种高度灵活和坚固的MI-DEG器件。通过将电极和介电材料之间的热熔融成一个有机整体，MI-DEG器件在各种机械作用和腐蚀性环境中表现出柔韧性、坚固性和卓越的耐用性，从而实现高效稳定的水能收集。与传统的DEG相比，本研究的MI-DEG在保持高电气性能的同时，在机械和环境适应性方面有了很大的改进。此外，本研究的MI-DEG器件可用于各种电子设备的能源供应，即使在离网区域，特别是在为一些功能传感器（如湿度计和环境监测传感器）供电方面具有广阔的潜力，用于智能农业和林业的应用。（文：SSC）

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