基于丝网印刷制备大面积均匀湿电发生器的离子二极管阵列：湿电领域的新突破

为解决湿电阵列设备设计及制造难题，成都大学研究人员开展基于丝网印刷的湿电阵列设备研究，制备出三明治结构湿电发生器，可实现定制化电力输出，为小型电子设备供电提供新方案。

　　

在科技飞速发展的今天，能源问题始终是全球关注的焦点。传统能源的逐渐枯竭以及对环境造成的压力，促使科研人员不断探寻新型、可持续的能源解决方案。从环境中获取能量的研究成为热门方向，其中利用环境湿度进行发电的湿电技术备受瞩目。它就像一个隐藏在空气中的 “能量宝藏”，若能被有效挖掘，将为诸多领域带来新的能源曙光。

目前，湿电技术面临诸多挑战。一方面，受限于水分与纳米功能材料间的弱相互作用，湿电发电设备的功率通常在毫瓦级别，难以满足实际应用需求。另一方面，为提升输出功率并推动功能集成设备的应用，虽有研究采用多种图案化制造技术实现湿电设备的串并联连接，但在制造工艺上仍存在难题。例如，与其他常规印刷制造技术相比，丝网印刷虽有优势，却因聚电解质的吸湿膨胀甚至溶解，仅适用于平面设备结构。而三明治堆叠结构虽更利于高效电荷分离与转换，将其与丝网印刷技术结合制造湿电设备仍有待探索，面临着墨水设计、基底表面性质以及功能层和电极层吸脱湿性能匹配等挑战。

为攻克这些难题，成都大学等机构的研究人员展开了深入研究。他们致力于开发一种与丝网印刷工艺兼容的离子二极管纳米通道大规模精细构建策略，制备出基于三明治结构的大面积可印刷湿电发电阵列设备。

此项研究成果意义重大。该湿电发电设备在能源领域为小型电子设备供电提供了新的可能性，其可定制的功率输出特性，使其有望广泛应用于偏远地区传感器供电、可穿戴电子设备以及与其他可再生能源组合形成混合发电系统等场景，推动能源可持续发展。

研究人员为开展此项研究，运用了多种关键技术方法。在材料制备方面，通过调配不同成分，制备出用于丝网印刷的上电极墨水、功能材料墨水和下电极墨水。在制造工艺上，采用丝网印刷技术在柔性 PET 基底上依次沉积各层材料，制备湿电发电单元。在性能测试环节，利用多种电学测量仪器，如静电计（Keithley 6514）、数字万用表（Keithley DMM7510）和源表（Keithley 2450）等记录设备的开路电压（V_{OC}）和短路电流（I_{SC}） ，并使用电化学分析仪（CHI760E）测试 I-V 整流曲线，同时借助扫描电子显微镜（SEM）和 zeta 电位测试仪对材料进行表征。

下面来详细看看研究结果：

• 湿电发电设备的设计与制造：研究制备的湿电发电单元为三明治结构，上层是CNT-CaCl_{2}复合电极，中间层是纳米氧化铝薄膜，下层是 C-Fe 复合电极。通过精心调配各部分对应的印刷墨水，实现了湿电发电单元的大规模丝网印刷集成。这种三明治结构优势明显，与平面结构相比，电极与功能材料的接触面积更大，利于电荷收集与离子电流和电子电流的转换。同时，CNT-CaCl_{2}作为上电极，其多孔结构和氯化钙的添加有效解决了水分捕获面积受限的问题。此外，三种印刷墨水良好的粘附性使设备能牢固附着在 PET 柔性基底上，且整个制造过程简单、成本低、可大面积制备12。
• 丝网印刷参数对设备性能的影响：研究人员考察了两种粘合剂（EC 和 PVA）对丝网印刷设备的影响。结果显示，以 EC 为粘合剂制作的上电极几何形状更规则、印刷质量更高、电阻率更低且在高湿度环境下更稳定。相应地，使用 EC-CNT 上电极的湿电发电阵列的开路电压和短路电流密度更高，性能更稳定。与喷涂印刷相比，丝网印刷制备的设备性能更集中，这得益于其在均匀性方面的优势345。
• 其他性能影响因素分析：研究发现，湿度对湿电发电单元性能影响显著。在 25°C 和 93% 相对湿度（RH）环境下，单个发电单元可产生 0.7V 开路电压和56.69 \mu A/cm^{2}短路电流密度，且随着湿度增加，发电性能提升。同时，氧化铝薄膜厚度和 EC 添加量也会影响发电性能，当氧化铝薄膜厚度为 56mm，纳米氧化铝与 EC 质量比为 10:1 时，发电性能最佳。与其他典型湿电发电设备相比，该研究制备的发电单元在开路电压、短路电流密度和输出功率密度上具有优势678。
• 发电原理探究：通过一系列实验，研究人员发现水分对设备发电至关重要，EC 主要起粘合作用，设备发电与纳米氧化铝密切相关，底部电极添加活性金属（Fe）可提升发电性能。微观表征显示，上电极和功能材料层有大量微纳米孔，利于水分吸附、渗透和离子传输，CNT 与纳米氧化铝间易形成对离子传输有选择性的 PN 结，使设备具有离子二极管整流效应。综合来看，湿电发电单元的发电过程是水解电压效应、离子二极管整流效应和氧化还原反应共同作用的结果91011。
• 湿电发电单元的集成与应用：该湿电发电单元通过全丝网印刷工艺制备，易于实现大面积集成。通过串联和并联集成方法，可有效调节发电阵列的开路电压和短路电流。例如，187 个发电单元串联可产生 126V 开路电压，187 个发电单元并联可产生 5.47mA 短路电流。集成后的发电阵列可用于给不同商业电容器充电，还能与电容器组合为温湿度监测系统供电，实现对环境温湿度的实时监测12131414。

在研究结论与讨论部分，研究人员成功开发出基于三明治结构的大面积可印刷湿电发电阵列设备。该设备的三明治结构使其在水分捕获、阴阳离子分离和离子 - 电子电荷转换之间实现了良好平衡。通过墨水调控和制造策略，设备具有均匀、高性能、可靠的电输出和高性价比，能通过串并联集成策略实现定制化功率输出。然而，目前研究仍存在局限性，如使用的活性金属电极会引入化学反应能量，并非纯绿色能源，且长期运行后电极会钝化导致设备性能下降。未来研究应探索不依赖活性电极的水解电压发电设备和制造技术。但不可否认，此次研究为湿电技术的发展开辟了新道路，为实现可持续能源供应提供了重要参考，有望推动相关领域的进一步发展。