清华大学曲良体教授《自然·通讯》：一种新型的湿气发电材料和器件

清华大学曲良体教授和程虎虎助理研究员团队在《自然通讯》（Nature Communications）上发表题为（Interface-mediated hygroelectric generator with an output voltage approaching 1.5 volts）的研究论文。该论文发展和构建了一种新型的湿气发电材料和器件(hygroelectric generator, HEG)。该研究建立了异质结构的氧化石墨烯材料的制备方法，利用其对湿气变化超灵敏的特点，通过界面设计辅助和调控内部载流子的输运行为，首次将单个湿气发电器件的输出电压提高到1.5 V，并且成功为商用的用电器件进行供电。

新型的能量转化与存储技术对于社会的发展起着极其重要的作用。人类生活的环境中存在大量的能量源泉，比如太阳能、风能和水能等，人们已经成功开发了太阳能电池、风力发电机和水力发电机等将这些能量转化为电能，为日常活动提供便利。然而，将自然界中水分扩散过程直接用于产生电能并不多见。

本项研究工作开创性地利用氧化石墨烯作为基础材料，通过激光加工技术实现了材料内部含氧官能团的异质分布，辅助界面设计构建肖特基结进行载流子的运动调控，建立了一种全新的湿气产电器件，实现了湿气扩散直接转化为电能的过程。在湿气刺激下，单个器件（亚厘米尺寸）可以产生高达1.5V的电压（与商用的纽扣电池相当）。此外，通过简单的层层组装进行有效的串联，实现了高达18V的输出电压，能够成功为商用的LED阵列和数码管供电。该工作开发了一种全新的湿气产电器件，为设计高效、高输出的新型能源器件奠定了基础，作为一种新型清洁能源器件，展现出巨大的应用前景。

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（a）湿气发电器件串联示意图；(b) 输出电压随器件串联数量的变化；(c) 湿气发电器件给商用的电容器充电；(d–f) 湿气发电器件为发光二极管阵列和数码管等电子元器件供电

近年来，研究团队专注于先进材料和新型微纳器件，及在能源、环境等领域的应用研究。在湿气产电领域开展了大量原创性工作，并取得了多项重要成果。前期工作发表在《先进材料》（Advanced Materials）、《能源与环境科学》(Energy & Environmental Science)、《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition)、《先进功能材料》（Advanced Functional Materials 、《纳米能源》(Nano Energy)等知名国际期刊上。

清华大学机械系2016级博士生黄亚鑫为本文第一作者，曲良体教授和程虎虎助理研究员为本文的通讯作者。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。