高性能柔性氧化石墨烯基湿纳米发电机，用于自供电可穿戴电子产品

1成果简介

最近，科学界对纳米发电机的兴趣大增，因为它们具有从周围环境中提取能量的巨大潜力。利用环境湿度作为便携式设备的能源是一种很有前景的方法。本文，新南威尔士大学Peiyuan Guan、Tao Wan、Chun-Ho Lin等研究人员在《Small》期刊发表名为“High-Performance Flexible Graphene Oxide-Based Moisture-Enabled Nanogenerator via Multilayer Heterojunction Engineering and Power Management System”的论文，研究通过整合氧化石墨烯（GO）和还原氧化石墨烯（rGO）的异质结，设计出了湿气纳米发电机（MENGs）。由于结构独特，离子浓度梯度更大，电阻更低，从而提高了发电量。由此产生的 MENG 可产生0.76V的理想开路电压和 73µA cm-2 的短路电流密度，最大功率密度为15.8µW cm-2。

值得注意的是，所设计的器件在经过 3000 次弯曲后仍能保持 90% 以上的高电压，这表明它在柔性应用方面具有很大的潜力。此外，通过采用柔性印刷电路技术并将其连接到电源管理系统，开发出了大规模集成 MENG 阵列。该集成系统可提供充足的能量，用于操作电子墨水显示屏和驱动用于健康监测的心率传感器。这项研究的成果为推动下一代自供电柔性设备的发展提供了一个新颖的框架，从而为未来的可穿戴电子产品展示了巨大的前景。

2图文导读

图1、a） MENG器件逐层结构示意图。b） 不同 rGO 浓度在 85% RH 和 RT 下的 MENG 器件的电压输出。c） 85% RH 和 RT 下 MENG 器件的峰值电压输出。d） 不同相对湿度下的 MENG 电压输出 （rGO：GO = 1：10）。e） 设备在室温下响应不同相对湿度的电压和电流输出。f） 室温下连续的 MENG 电压输出。g） 不同电压下MENG的功率和电流输出。h） 与其他报告的 MENG 设备的性能比较。

图2、a) MENG 设备的工作机制示意图。b) 不同 rGO：GO 比率的 GO、rGO 和混合 GO-rGO 薄膜的 XRD 和 c) 傅立叶变换红外光谱。d) 原始 GO 薄膜和 GO/rGO 混合薄膜（rGO：GO = 1：10）的原子力显微镜（25 × 25 µm2）对比。e) 原始 GO、rGO 和 GO/rGO 混合薄膜的均方根粗糙度和平均粗糙度比较（25 × 25 µm2，三个不同扫描区域的平均值）。f) GO 薄膜横截面的扫描电镜图像。

图3、a) MENG 功能层内部电荷分离示意图。b) 低相对湿度和高相对湿度条件下 GO/rGO 混合薄膜的EIS图。d) C1s 和 e) O1s的高分辨率XPS光谱。

图4、a) 可扩展 MENG 阵列的结构示意图。b) 聚酰亚胺 (PI) 衬底上的柔性 MENG 阵列照片。c) 不同序列号 MENG 单元的电压输出图。h) MENG 在曲率分别为 0.5 cm-1 和 2 cm-1 的不同弯曲角度（30°、60° 和 90°）下的电压保持率。

图5、a) 设计的电源管理电路照片。b) 单个 MENG 单元提供稳定输出电压的照片。c) 微控制器通过稳压/非稳压电源产生的脉冲输出。d) 振幅可调的恒定输出电压。e,f) 由 MENG 供电的电子墨水显示屏的照片和原理图。

3小结

总之，通过整合 GO 和 rGO 异质结，设计出了高性能 MENG。由于碳基材料的广泛可用性和易于调整的物理化学特性，制备的 MENG 具有低成本和生物相容性的特点，可以轻松集成到广泛的应用中，包括可穿戴电子设备、植入式医疗设备和无线传感器网络。经过优化的 MENG（rGO：GO 比例为 1:10）的最大输出能量密度为15.8µW cm-2，与之前基于GO的MENG器件相比，显示出更优越的输出（电压-电流）平衡。MENG 的增强机制归因于协同效应，即在GO/rGO混合薄膜中人为建立的含氧亲水基团浓度梯度与 rGO 在高湿度条件下改善的内部离子导电性相结合。此外，在 FPC 技术的帮助下，MENG 单元可以轻松集成到大规模阵列中，直接为LED阵列等电子设备供电。更重要的是，MENG 系统还采用了PMS技术，可调节收集的能量并产生稳定的输出电压。总之，本研究中展示的MENG的综合优势为研究和开发物联网和其他可穿戴应用的便携式能源铺平了道路。

文献：https://doi.org/10.1002/smll.202304572

来源：材料分析与应用