湖南大学黄晖辉Nano Energy: 基于相梯度的柔性MoS2薄膜的高性能水汽发电器件

邃瞳科学云

2020-11-26

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第一作者：何墩任

通讯作者：黄晖辉

通讯单位：湖南大学

DOI：10.1016/j.nanoen.2020.105630

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水电效应（Hydroelectricity）是一种可以用来生产清洁能源的新兴发电现象。本文报道了一种基于具有从1T到2H相梯度的柔性MoS2薄膜的高性能水汽发电器件，在水汽环境下，该器件的开路电压和短路电流输出分别为19mV和6.24µA，内阻为3KΩ。此外，根据对比实验的结果和平面波密度泛函理论（DFT）的模拟提出了可能的相梯度MoS2薄膜的水汽发电机理。这种新型的水力发电装置具有灵活、安全、重量轻、易于规模化生产等优点，可设计成可集成在一次性口罩中的自供电人体呼吸监测仪。通过相梯度MoS2海绵的串联连接，可以进一步提高输出电压，为商用电子设备供电。

背景介绍

水覆盖了地球表面的71%，它不仅对生命至关重要，而且在能源生产技术中起着关键作用。例如，在过去的几十年里，传统矿物燃料等不可再生能源被用来烧水进而驱动蒸汽涡轮发电机发电，但是燃烧化石燃料产生越来越多的环境问题。近年来，研究人员发现了一种新的能量转换效应，水电效应，即当纳米结构材料与广泛存在的液态水或蒸汽直接接触时，它可以简单地产生电能而不产生有害排放物。一方面，基于双电层原理，水流或液滴可以诱导离子的移动进行发电。另一方面，基于离子扩散机理，具有可电离官能团梯度的纳米材料可以在潮湿条件下发电，我们称之为水汽发电。在离子扩散诱导机制被提出之后，研究人员发现了许多新的水汽发电材料。然而，发电器件内阻大，短路电流小，是该领域的一大挑战。另外，电子设备很难从高阻电源获得足够的电压。因此，探索一种高导电材料的潮湿发电机具有重要意义。

过渡金属二卤化物（TMDCs）具有层状结构，通过层间较弱的范德华力耦合，这使其可以被剥离成为单层纳米薄片。并且TMDCs具有可变的结构和电子性质，被广泛应用于催化、超级电容器、传感器和光电器件。值得注意的是，1T相二硫化钼的高导电能力和固有亲水性使其成为超级电容器的电极材料的候选者。此外，热电发电机、渗透纳米发电机和Wi-Fi波段无线能量采集器都证明了TMDCs在发电方面具有巨大的应用潜力。然而，到目前为止，关于TMDCs的水汽发电特性的研究还非常有限。

在此，作者报告了基于相梯度MoS2薄膜的水汽发电装置，其相位梯度从八面体相（1T）到三角棱柱体（2H）。在潮湿条件下，相梯度MoS2薄膜可提供19mV和6.24µA的开路电压和短路电流输出，内阻为3KΩ，远低于其他水汽发电材料，如蛋白丝、打印纸和多孔碳膜。然后，通过对比实验和第一性原理计算，探讨了这种发电现象的机理。更有趣的是，相梯度MoS2薄膜在可穿戴和柔性电子产品中具有巨大的应用潜力，如自供电湿度传感器，并且输出电压可以通过串联相梯度MoS2海绵提高来为商业电子设备供电，如发光二极管（LED）。

图文解析

图1中，（a~d）是相梯度二硫化钼薄膜的制备流程。首先，通过真空抽滤制备二硫化钼薄膜，再把经过裁剪的薄膜放在热台上退火。（e）二硫化钼薄膜横截面的SEM图像，可以看出薄膜是由二硫化钼纳米片堆积而成。（f）相梯度二硫化钼薄膜的XPS图像显示在退火的区域2H相的含量更高，在未退火的区域1T相含量更高。在膜的两端形成一个相变梯度。（g）在氮气环境下，相梯度二硫化钼薄膜的不同位置电阻。这表明在退火处的电阻要高于未退火处，与之前报道的高温处理可以使1T金属相二硫化钼转变为2H半导体相二硫化钼相符。

Figure 1. The preparation processes and characterization of phase-engineered MoS2 films. (a) vacuum filtering (b) A MoS2 nanosheets restacked thin film. (c) Annealing treatment (d) A phase-engineered MoS2 film (e) A cross-sectional SEM image of the phase-engineered MoS2 film with a film thickness of 4.6µm. (f) The XPS spectrum of unannealed side (top) and annealed side (bottom) of the phase-engineered MoS2 film annealed at 150˚C with a film thickness of 2.5µm (g) The resistance on different position of the phase-engineered MoS2 film annealed at 150˚C with a film thickness of 2.5µm was measured under nitrogen.

在图2中，（a）和（b）相梯度二硫化钼薄膜器件的测量方式和连接方式。相梯度二硫化钼薄膜被放置一个湿度控制容器中进行发电测试。（c）和（d）相梯度二硫化钼薄膜在水汽条件下的开路电压和短路电流。（e）开路电压和短路电流的关系。（f）开路电压和输出功率密度的关系。

Figure 2. Electric measurements and evaluation of performance. (a) Schematic illustration of the apparatus for measuring electricity generation. (b) An image of a device based on the phase-engineered MoS2 film which is sandwiched by electrodes, and the device is against a centimeter ruler. (c) the output voltage and (d) output current of the phase-engineered MoS2 film in response to variable humidity. The output current (e) and power density (f) of the phase-engineered MoS2 film in response to different output voltage.

在图3中，（a）不同弯曲次数对发电性能的影响。可以看出多次弯曲对相梯度二硫化钼薄膜的性能影响不大。（b）和（c）相梯度二硫化钼薄膜对人体呼出水汽的响应。（d）搭载了二硫化钼纳米片溶液的聚氨酯海绵增大了水汽和二硫化钼纳米片的接触面积，显著地提高了发电电压。（e）二硫化钼海绵的串并联示意图。（f）发电电压随着串联个数的增加线性增加。（g）和（h）通过给电容充电可以开启/点亮LCD的时钟/不同颜色的LED灯。（j）在另一种TMDCs材料，WS2，中也发现了水汽发电的现象。

Figure 3. (a)Results of a dynamic bending test with the phase-engineered MoS2 film bent at the 5 mm radius cylinder. (b) Phase-engineered MoS2 films were integrated in disposable masks. (c) open-circuit voltage variation when exposing to the moisture from exhaled breath. (d) The output voltage average from MoS2 films and MoS2 sponges (n is 3 or more). (e) Schematic of MoS2 sponges in series connection using stainless-steel electrodes. (f) The output voltage of MoS2 sponges with incremental device units in series. (g) A circuit for charge storage and application powered by MoS2 sponges in series connection. (h) One capacitor (22µF, 50V) was used to power an LCD clock. (i) Two capacitors (47µF, 10V) were connected in series to power green (>2.3V), blue(>2.6V) and white(>2.7V) LED bubbles. Each capacitor was charged by MoS2 sponges with an average voltage output of 1.8V.

总结与展望

简而言之，作者首次报道了一种基于相梯度MoS2纳米片的水汽发电现象。在水汽条件下，相梯度MoS2薄膜可提供19mV和6.24µA的开路电压和短路电流输出，低内阻3KΩ，其内阻远低于其他材料，如蛋白质线、打印纸和多孔碳膜。通过测量1T、2H和相梯度MoS2薄膜的I/V特性和计算氢离子在1T相和2H相二硫化钼表面分解时相对能量变化，提出了可能的发电基本机理。由于这些基于相变梯度的发电器件具有灵活、安全、重量轻、易于规模化生产等优点，在自供电的人体呼吸监测仪或在作为电源方面有着巨大的应用前景。本研究为TMDCs在水汽发电领域的实际应用提供了新的视角，从而启发人们探索基于相变梯度的二维TMDCs的高性能柔性水汽发电材料。

作者介绍

黄晖辉：湖南大学物理与微电子科学学院副教授。他的研究兴趣是基于微/纳米结构的能量器件和光学传感器。

文献来源

Dunren He, Yaocheng Yang, Yuan Zhou, Juanyong Wan, Heao Wang, Xi Fan, Qi Li, Huihui Huang. Electricity Generation from Phase-engineered Flexible MoS2 nanosheets under Moisture, Nano Energy, 2020, 105630.

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105630