輕質高效的能源設備是便攜式移動設備的關鍵部件之一。然而，傳統便攜式設備常使用鋰電池、超級電容器等作為儲能設備。但儲能設備的工作時間嚴重低於人類預期。因此，人們一直尋找可以從周圍環境中收集能量並轉化成電能的能源設備，從而為便攜式電子設備提供電能。目前，常見的環境能源包括太陽能、熱能以及人類自然活動所產生的動能等。不過這些能源轉化設備通常結構複雜且成本較高，限制了這些能源在便攜式和可穿戴領域的大規模化製備與應用。目前，科研界正在努力探求更加物美價廉的能源轉化設備。
近期，北京理工大學的曲良體教授開發了一種通過水汽蒸發實現能源收集的石墨烯材料基的新型納米發電器件。這種納米發電器件通過水汽在石墨烯薄膜上下層之間的擴散形成電勢，其關鍵步驟是通過電化學修飾來精確調控石墨烯表面功能團的含氧量。當該器件暴露在水蒸氣中，具有一定梯度變化的石墨烯材料就會導致水蒸氣也呈現一定的梯度變化，進而引發電荷的分離，從而獲得一定的電勢輸出。不過，這種供電形式嚴重依賴於含氧基團的分佈情況，難以實現大面積的穩定輸出。
圖1 GO / MIS的發電。（a）發電器件GO/MIS的示意圖：由GO和水汽絕緣層（玻璃，紙張或P
近期，曲教授和邵會波課題組又對這一模式進行了改進升級。課題組通過印刷的方式，將氧化石墨烯直接印刷在水汽絕緣的基底上（MIS），通過構建一個非對稱水汽吸收結構（GO/MIS），實現大面積、穩定的電勢輸出。
GO/MIS雙層結構是由氧化石墨烯與基底層組成，分為有序層結構和水汽隔絕層。當GO/MIS雙層結構暴露在水汽中，薄膜兩邊對於水汽的非對稱吸收就會使得石墨烯表面的氫化程度不同，電離出來的離子便會在水汽的影響下定向移動從而形成內部電流，並在兩邊電極上形成電勢。這種非對稱結構的輸出電勢大約為2V，足可以驅動目前商用液晶顯示。通過印刷的方式具有方便簡單，成本低廉，且可快速大規模製備等優勢，非常適用於為便攜式和可穿戴電子設備提供能源需求。
圖2 基於GO/Paper結構的單個發電器件的電能輸出。（a）紙上印刷的GO發電器件的示意圖，由頂部
絲網印刷即可製備GO/MIS結構，具體過程如下：1、選取玻璃、紙或者PET等隔絕水汽層。2、先絲網印刷製備底電極，隨後在電極基礎上絲印石墨烯油墨。油墨乾燥的過程中，石墨烯層間相互吸引，從而形成疊層的有序結構。3、製備頂電極，通過對單個器件的結構和位置設計製備電極陣列，從而提高整體器件的輸出電壓和電流。本研究方案中採用絲網印刷方式即可實快速、大規模的低成本製備。
圖3 在紙張集成的發電設備陣列。（a）規模製造GO發電設備陣列的示意圖；（b）不同數目的串聯器件在Δ
測試結果表明，單個器件的輸出電勢大約為0.4V。當多個器件串並聯時能夠明顯提高輸出電勢和功率，這表明該結構具有良好的能量轉化效率和多器件集成能力。這種柔性器件的輸出電勢能夠支撐傳統的柔性液晶屏幕顯示，並且其獨特的柔性結構也可以作為便攜式能源設備用於可穿戴設備上。
文獻鏈接：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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