轻质高效的能源设备是便携式移动设备的关键部件之一。然而，传统便携式设备常使用锂电池、超级电容器等作为储能设备。但储能设备的工作时间严重低于人类预期。因此，人们一直寻找可以从周围环境中收集能量并转化成电能的能源设备，从而为便携式电子设备提供电能。目前，常见的环境能源包括太阳能、热能以及人类自然活动所产生的动能等。不过这些能源转化设备通常结构复杂且成本较高，限制了这些能源在便携式和可穿戴领域的大规模化制备与应用。目前，科研界正在努力探求更加物美价廉的能源转化设备。
近期，北京理工大学的曲良体教授开发了一种通过水汽蒸发实现能源收集的石墨烯材料基的新型纳米发电器件。这种纳米发电器件通过水汽在石墨烯薄膜上下层之间的扩散形成电势，其关键步骤是通过电化学修饰来精确调控石墨烯表面功能团的含氧量。当该器件暴露在水蒸气中，具有一定梯度变化的石墨烯材料就会导致水蒸气也呈现一定的梯度变化，进而引发电荷的分离，从而获得一定的电势输出。不过，这种供电形式严重依赖于含氧基团的分布情况，难以实现大面积的稳定输出。
图1 GO / MIS的发电。（a）发电器件GO/MIS的示意图：由GO和水汽绝缘层（玻璃，纸张或P
近期，曲教授和邵会波课题组又对这一模式进行了改进升级。课题组通过印刷的方式，将氧化石墨烯直接印刷在水汽绝缘的基底上（MIS），通过构建一个非对称水汽吸收结构（GO/MIS），实现大面积、稳定的电势输出。
GO/MIS双层结构是由氧化石墨烯与基底层组成，分为有序层结构和水汽隔绝层。当GO/MIS双层结构暴露在水汽中，薄膜两边对于水汽的非对称吸收就会使得石墨烯表面的氢化程度不同，电离出来的离子便会在水汽的影响下定向移动从而形成内部电流，并在两边电极上形成电势。这种非对称结构的输出电势大约为2V，足可以驱动目前商用液晶显示。通过印刷的方式具有方便简单，成本低廉，且可快速大规模制备等优势，非常适用于为便携式和可穿戴电子设备提供能源需求。
图2 基于GO/Paper结构的单个发电器件的电能输出。（a）纸上印刷的GO发电器件的示意图，由顶部
丝网印刷即可制备GO/MIS结构，具体过程如下：1、选取玻璃、纸或者PET等隔绝水汽层。2、先丝网印刷制备底电极，随后在电极基础上丝印石墨烯油墨。油墨干燥的过程中，石墨烯层间相互吸引，从而形成叠层的有序结构。3、制备顶电极，通过对单个器件的结构和位置设计制备电极阵列，从而提高整体器件的输出电压和电流。本研究方案中采用丝网印刷方式即可实快速、大规模的低成本制备。
图3 在纸张集成的发电设备阵列。（a）规模制造GO发电设备阵列的示意图；（b）不同数目的串联器件在Δ
测试结果表明，单个器件的输出电势大约为0.4V。当多个器件串并联时能够明显提高输出电势和功率，这表明该结构具有良好的能量转化效率和多器件集成能力。这种柔性器件的输出电势能够支撑传统的柔性液晶屏幕显示，并且其独特的柔性结构也可以作为便携式能源设备用于可穿戴设备上。
文献链接：Electric Power Generation via Asymmetric Moisturizing of GrapheneOxide for Flexible, Printable and Portable Electronics（EnergyEnviron. Sci., 2018, DOI: 10.1039/C8EE00671G）
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