南大团队开发氧缺陷工程诱导黑磷水凝胶，实现柔性且稳定的湿气发电机

摘要：近年来，新型纳米材料的研究促进了绿色能源技术的发展。一些纳米材料可以利用纳米结构丰富的比表面积和纳米孔，自发地从大气环境中吸收水分子来进行发电。

近年来，新型纳米材料的研究促进了绿色能源技术的发展。一些纳米材料可以利用纳米结构丰富的比表面积和纳米孔，自发地从大气环境中吸收水分子来进行发电。

近日，南京大学金钟教授和其团队创造性地将黑磷应用于湿电转换领域，通过氧等离子体处理构建了一种具有单向氧缺陷梯度的表面改性黑磷气凝胶（简称g-O-BP）。这种便捷的制备方法大大简化了湿气发电机的制造工艺，为湿气发电机的工业化大规模生产提供了一种新途径。

图 | 金钟（来源：金钟）

研究中，金钟教授团队合成了具有较高晶体质量的黑磷纳米片粉末，并将其用于制造g-O-BP湿气发电机。

聚乙烯醇中丰富的羟基极大地提高了其制备而成的黑磷气凝胶的吸水性能。此外，聚乙烯醇的加入极大增强了黑磷气凝胶的柔韧性，且在黑磷气凝胶内部形成了丰富的微孔道。

使用氧等离子体沿气凝胶柱轴方向单向照射，在气凝胶片内部形成氧缺陷的梯度结构。

（来源：Advanced Functional Materials）

利用g-O-BP气凝胶片的柔韧性，以多孔亲水碳布作电极，制备g-O-BP湿气发电机。当湿气发电机在相对湿度为80%的条件下连接到外部测试电路时，可以明显地观察到器件的输出电压约为0.25V，电流密度约为0.16μA cm-2，器件的输出性能在3000秒内只发生微弱的衰减。

当g-O-BP湿气发电机以0.8μA cm-2的电流密度放电时，电力生成过程在潮湿环境下自发进行，并保持长时间的运行稳定性。

为了探讨g-O-BP湿气发电机的工作机制，该团队进行了一系列对比实验后，建立了一个模型来阐明发电的潜在机制。

大量黑磷纳米片附着在聚乙烯醇气凝胶骨架上，在定向氧等离子体照射下，形成氧缺陷梯度。在气凝胶的液相微环境中，带正电的氢离子和带负电的含氧官能团将在通道内成对解离。

由于表面氧化黑磷纳米片的体积庞大，负电荷被骨架限制，而氢离子变得离域，氢离子从器件的高浓度区域自发扩散到低浓度区域。

随后，电荷的极性分布被建立，导致与氢离子扩散方向相反的内置电场产生。

（来源：Advanced Functional Materials）

金钟团队评估了g-O-BP湿气发电机在外加应力条件下的输出稳定性。在相对湿度为60±2%的环境条件下进行弯曲试验。器件弯曲后，电压输出没有明显下降，变现了器件优异的灵活性。

当手指触摸g-O-BP湿气发电机的表面时，它会破坏装置内水梯度的平衡，导致电压输出减少。去除手指压力后，电压输出返回到其平衡值。该测试突出了涉及与生物体相互作用的应用潜力。

此外，通过g-O-BP湿气发电机的简单串联，输出性能进一步扩大。3.7μF的电容可在600秒内收集g-O-BP湿气发电机产生的电能。在充电12小时后，该装置产生的电能还可以被500μF的大电容收集，证明了g-O-BP湿气发电机在长时间工作期间的稳定性。

以同样的方式，该团队成功地点亮了红色灯板，突出了在潮湿条件下g-O-BP湿气发电机的巨大应用潜力。

该研究以题为《黑磷气凝胶中的定向氧缺陷工程用于灵活稳定的湿电发电机》（Directional Oxygen Defect Engineering in Black Phosphorus Aerogel for Flexible and Stable Moisture-Electric Generators）的论文发表在最新一期《Advanced Functional Materials》上，南京大学博士生梁俊川是第一作者，金钟教授担任通讯作者。