基于液滴的发电机(DEGs)已经成为一种创新设备，能够将下落的水滴的动能转化为电能，从而为环境能量收集提供了一种有前途的解决方案。为了有效应用，DEGs必须表现出透明度和灵活性，以促进美学整合和光学/机械适应性，以便在自然物体和可穿戴设备上使用。在这项研究中，提出了一种基于水凝胶的DEG (Hy-DEG)设计，可以无缝集成到日常环境中，而不会影响设计或功能。凭借水凝胶的固有特性，Hy-DEG具有优异的透光率(≈99%)和拉伸性(≈原长度的70%)，在单液滴冲击下可产生≈45 V电压、15 μA电流和42 μW的最大峰值功率输出性能。Hy-DEG的这种能力可以操作电子设备进行环境监测，同时保持与常见表面的无缝集成。在此背景下，本研究阐明了水凝胶赋予DEG新功能的特性，扩大了住宅和商业环境中能源收集的潜力。这项研究的意义超越了传统的能源发电，促进了自供电、透明和灵活设备的发展。
机理
为了充分利用水凝胶在DEG框架内的优势，将聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为DEG的组成部分，PDMS是一种具有高透光性、柔韧性和可拉伸性的弹性体。为了将PDMS与水凝胶结合在一起而不影响其物理特性，在PDMS和水凝胶的界面上施加化学粘附。制备的应用DEG的水凝胶(Hy-DEG)保留了水凝胶和PDMS的优点，而不会降低其光学和机械性能。
制备
水凝胶溶液的制备:以4 m丙烯酰胺单体水溶液、16 m氯化锂水溶液、0.05 wt.%的交联剂N,N '亚甲基双(丙烯酰胺)、0.7 wt.%的引发剂过硫酸铵和0.35 wt.%的促进剂N,N,N '，N ' -四亚甲基乙二胺(相对于AAm单体的重量)合成水凝胶溶液。这些溶液是用超声波超声器混合的。
Hy-DEG的制备:在10(碱):1(固化剂)的混合比下制备聚二甲基硅氧烷(PDMS, Sylgard 184)介电接触层，并在1000 rpm下旋转涂覆30 s。同时，采用厚度为500 μm的doctor blade涂层法制备了PDMS背基板。在此制备中，丙烯酸酯作为模板。两种PDMS薄膜在65°C下的烘箱中固化24小时，固化过程结束后，在15wt .% bp的乙醇溶液中浸泡10分钟。随后，bp处理的PDMS表面用甲醇清洗两次，清洗1分钟，用乙醇清洗1分钟，以激活弹性体表面，并放置在真空室中，直到剩余的溶液干燥。将PDMS薄膜从真空室中取出后，在PDMS表面附着厚度为500 μm的丙烯酸酯间隔片，将水凝胶溶液倒在活化的PDMS背面衬底上，并覆盖PDMS介电接触层。为了使水凝胶与PDMS表面形成化学键，将样品在波长为365 nm的紫外光下照射30 min。水凝胶凝胶化后，对样品进行激光切割去除丙烯酸间隔，将两种PDMS膜之间的水凝胶体系组成的制备样品与丙烯酸模板分离。为了制造水凝胶顶部电极，将一个掩膜附着在PDMS介电接触层上，使其达到所需的形状，并将PDMS介电接触层暴露的部分浸泡在B.P.溶液中，并使用相同的程序进行清洗，以激活其。随后，将水凝胶溶液倒入PDMS介电接触层的活化部分，并用365 nm紫外光照射。Hy-DEG制成后，其侧面用龙皮FX-pro密封，以防止液滴与Hy-BE意外接触。这些整体制作过程如图S1(辅助信息)所示。利用这些方法，制备了完整的Hy-DEG。
图解
图1:Hy-DEG的系统组成及其验证。A)照片和B) Hy-DEG系统组成示意图。在过度机械变形作用下的hyg (C)和D-J (C)。即使在变形后，Hy-DEG也能稳定地形成其结构。K) Hy-DEG拉伸试验的应力-应变曲线。L) Hy-DEG的透光率。
图2：Hy-DEG的运行机理。A) Hy-DEG工作原理图和B) Hy-DEG工作时的等效电路模型。C) Hy-DEG运行过程中液滴的动力学。D)顶电极存在和不存在时的VO和E)IO生成行为。
F) 7000个循环Hy-DEG运行过程中输出性能产生的稳定性。
图3：参数对Hy-DEG中VO的影响。采用VO峰值的平均值来比较VO的生成行为。A) Hy-DEG参数示意图。在B)撞击高度、C)体积、D)离子浓度和E) pH条件下的VO生成行为。F)不同负载下的VO生成行为，并根据VO计算PO。G)水凝胶电极曲率与电阻抗变化的关系。观察到的电阻抗偏差小于1%。H)水平方向和I)垂直方向弯曲状态下的VO生成行为。100次循环后从连续应变恢复到J)不同应变和K)不同应变状态下的VO生成行为。L)从0.20的连续应变恢复到不同循环后的VO生成行为。
图4：Hy-DEG无缝集成到各种日常基板上。A)放置在实验室内外日常接触表面上的Hy-DEG照片。B)放置在不同表面时的VO生成行为。C)将Hy-DEG放置在植物叶片上，作为湿度计的电源。i)实验装置照片。ii)实验装置中使用的电路的照片。iii) T-H计开启15 s iv)电容器充电170 min后。D) Hy-DEG与PV电池杂交。i)放置在光伏电池上的Hy-DEG的照片。ii)存在和不存在Hy-DEG时的VO生成行为。iii) PV电池与Hy-DEG同时运行时的VO生成行为。
结论
由于水凝胶的优势性质，它作为DEG的电极材料的应用有利于功能的分配，如优越的光学透过率，柔韧性和可拉伸性，这是扩大DEG应用范围所必需的。随着赋予Hy-DEG的功能，它可以无缝集成到日常遇到的各种基材中;因此，可以有效地收集液滴能量，而不损害基板的物理特性。因此，由于物联网(IoT)技术的兴起，它可以作为备受关注的环境监测设备的电源使用，而无需建造额外的结构。此外，它还可以作为太阳雨滴双模能量收集器集成到光伏电池中，以补充光伏电池在恶劣天气下的电力输出退化。专注于这些概念验证应用，Hy-DEG可以应用于本研究中未提到的其他概念验证应用，并有可能实现无缝集成。此外，由于水凝胶应用策略与先前研究的提高电输出性能的策略相结合的可能性，如果在未来的工作中对它们的集成进行更多的研究，可以进一步扩大实际应用范围，因此水凝胶应用策略可以成为DEG技术迈向下一步的起点。
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原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202411350
