湿气发电机（MEG））正逐渐成为分布式微型设备的一种极具前景的绿色电源。然而，如何实现稳定且可复现的电学输出仍是主要挑战，其根源在于缺乏能够系统调控离子梯度设计的统一材料平台。因此，开发可编程离子梯度复合器件具有重要意义。基于此，本文，北京航空航天大学 罗斯达（Sida Luo）教授团队在《Small》发表名为”Laser‐Induced Graphene‐Enabled Programmable Ion‐Gradient Composites for Hundred‐Hour‐Stable, High‐Power Moisture‐Electric Generation Toward Self‐Sustaining IoT Systems”的论文，研究提出了一种复合工程策略。该复合薄膜通过一步法制备质子/阴离子共掺杂聚苯并咪唑（PBI）与亲水性激光诱导石墨烯（LIG）电极，实现了可在同一聚合物体系内可编程构建单离子与异离子梯度构型的离子梯度平台。
此外，亲水性 LIG 电极与离子掺杂 PBI 的协同作用，为厘清离子浓度、双层结构与器件性能之间的关系提供了兼容平台。经优化，该 MEG 在湿气驱动下展现出 1 mA cm⁻² 的短路电流密度、43.3 µW cm⁻² 的最大功率密度，以及最高 6.26 V 的集成开路电压。同时，该可扩展 MEG 阵列在连续运行 5 天后仍维持 2 V 与 1 µA cm⁻² 的稳定输出，使其适用于自维持水—电循环与自主物联网系统的长期供能。优化后的MEG（阵列）还能为电子设备供电并感知湿度，从而为自主物联网系统实现自维持的水-电循环。这项研究为高性能、耐用的湿气驱动发电建立了材料层面的设计框架。
图1、Programmable MEG with customizable configurations for self-sustaining IoT systems. (a) Fabrication process of hydrophilic PLIG with phosphate-doped porous graphene structure. (b) MEG architecture showing PLIG electrode, counter electrode, and programmable gradient composites (GCSI and GCOI). (c) Assembled MEG configuration with electrodes and gradient composites. (d) Conceptual illustration of the self-sustainable water–electric cycle for IoT applications.
综上所述，本文通过基于统一聚苯并咪唑（PBI）平台的合理复合材料工程策略，开发了一种高性能、长寿命的MEG。通过将可编程离子梯度复合材料（可制成单离子（GCSI）或异离子（GCOI）配置）与亲水性的原位形成的 PLIG 电极相结合，我们创建了一个材料系统，该系统允许在相同的化学环境下直接比较不同的梯度设计。经过优化的基于 GCSI 的 MEG 具有显著的电输出，单个 1 cm² 单元可产生 0.3 V 的开路电压、1 mA cm⁻² 的峰值短路电流密度以及 43.3 µW cm⁻² 的最大功率密度，其性能超越了双层结构的 GCOI MEG。系统研究表明，其优异性能归因于协同效应：PLIG/CC电极对形成了高效的肖特基接触以收集电荷，而GCSI中的单离子梯度则促进了快速的质子传输（电导率为3.41 S m⁻¹，水分扩散系数为2.54 × 10⁻⁷ cm² s⁻¹），从而实现了低内阻和稳定运行。放大后的阵列在连续放电 5 天内仍能保持高于 2 V 和 1 µA cm⁻² 的稳定输出，展现出卓越的长期稳定性，适合为小型电子设备供电。此外，我们将这些器件集成到一个能够自主调节湿度的闭环水-电循环系统中，展示了它们在未来物联网网络中兼具电源和中继信号的双重作用。本研究为实现稳定、高输出的水分驱动能量采集提供了一个通用的材料设计框架。它强调，合理的梯度工程结合激光直接书写石墨烯电极，为分布式智能设备提供了通向耐用、自维持供电系统的可行途径。
文献：https://doi.org/10.1002/smll.75567
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