环境中广泛分布的水汽蕴含着巨大的能量。基于水与材料的相互作用，水汽发电技术能够将气态水的化学能转化为电能，也称湿电效应。由于其绿色清洁、来源广泛，近年来受到了越来越多的关注。然而，传统三明治型水汽发电器件（MEG）往往需要复杂的材料预处理过程，同时刚性硬质电极的使用导致严格且繁琐的器件组装和封装过程，极大地限制了器件的高效规模化集成和实际应用。

近日，清华大学曲良体教授团队开发了一种全印刷的平面水汽发电器件（PMEG），通过丝网印刷技术实现了PMEG器件的大规模集成。集成的PMEG阵列可以提供超过200V的电压和 1.3 mA 的电流。PMEG阵列不仅可以为商用小型电子设备按需供电，还可以与柔性电路兼容集成。作为概念验证，研究人员进一步开发了由水汽产电器件、储能器件和功能器件组成的自供电功能集成系统。相关成果以“Fully printed planar moisture-enabled electric generator arrays for scalable function integration”为题发表在Joule上。清华大学博士研究生何天程为本工作的第一作者，曲良体教授为通讯作者。

图1. PMEG的制备和表征

PMEG单元由聚电解质PSSA、PDDA和一对异质电极组成，基于调制的PDDA和PSSA墨水，PMEG单元可以通过丝网印刷进行大规模制造。印刷在柔性PET基底上的PMEG阵列表现出良好的机械柔性和印刷分辨率。得益于异质结构设计和材料的高效水汽吸附，PMEG单元（仅0.3 cm2）在80% RH下可以产生高达1.1 V的开路电压并且输出维持数小时。通过器件的串并联集成，器件阵列的电压和电流随集成器件数量的增加而线性增加，200个PMEG器件集成最高可以提供超过200V的电压和1.3mA的电流。这显示出器件集成的高效和可扩展。

图2. PMEG单元和集成阵列的输出性能

为了满足商用小型电子设备如电子手表、温湿度计等供电需求，作者设计了5×5 PMEG串并联集成的“标准电源模块”（SPM），通过封装可实现SPM超过一个月的储存和按需使用。印刷在不同基底上的SPM可以在环境条件下为商用电子设备供电，展示了全印刷PMEG巨大的工业化潜力。

图3. 串并联PMEG电源模块为商用电子设备按需供电

除了作为独立的供电模块外，发展PMEG和其他电子器件、系统的兼容/一体化集成对于拓展PMEG的实际应用也十分重要。为演示PMEG在柔性电子领域的应用，作者设计了用于点亮LED阵列的一体化PMEG-柔性电路兼容集成系统。一体化集成的PMEG和LED间无需任何外部导线，并且在弯曲和扭转状态下PMEG都能成功点亮“T”型的LED阵列。进一步地，作为概念展示，作者构建了由PMEG阵列（发电模块）、超级电容器（中间储能模块）和电致变色器件（功能器件）组成的自供电功能集成系统，PMEG阵列产生的电能先存储在超级电容器中，然后超级电容器可以为电致变色器件显色提供电压。这也凸显了全印刷PMEG强大的可设计性和广泛的适用性。

图4. PMEG阵列和柔性电路兼容集成、自供电功能集成系统

综上所述，作者开发了一种基于聚电解质PSSA和PDDA的全印刷的水汽发电器件，集成策略简单高效、可设计性强，集成器件阵列表现出惊人的输出性能（200V、1.3mA）。此外，作者还进一步实现了PMEG和柔性印刷电路的兼容集成，以及基于PMEG阵列、超级电容器和电致变色器件的自供电功能集成系统。这项跨学科的工作为MEG的可扩展集成提供了一条有效途径，并为MEG在多领域的应用探索带来了新的可能性，对促进MEG的实际应用具有重要意义。

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来源：高分子科学前沿

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